非线性光纤光学第一章-导论课件

非线性光纤光学非线性光纤光学原理及应用原理及应用文双春唐志祥2002009 9年年2 2月月1 17 7日星期二日星期二1Why study Optical Fiber Communication?n一代材料，一代系统！一代材料，一代系统！n作为信息的物理载体，新一代信息作为信息的物理载体，新一代信息材料的广泛应用将直接推动整个材料的广泛应用将直接推动整个信息系统的更新换代！信息系统的更新换代！2现今通信系统的发展困境n摩尔经验法则预示着微电子技术正走向摩尔经验法则预示着微电子技术正走向物理上和技术上的极限。物理上和技术上的极限。n光子代替电子作为信息的载体光子代替电子作为信息的载体，不仅可，不仅可以克服微电子器件发展的物理极限，而以克服微电子器件发展的物理极限，而且在信息容量、传播速度、能量损耗、且在信息容量、传播速度、能量损耗、互连能力和并行能力等方面的性能都有互连能力和并行能力等方面的性能都有很大的提升。很大的提升。3光子光子 电子电子传播速度传播速度 108 m/s 104-105 m/s数据传播速率数据传播速率 光子远远大于电子光子远远大于电子载体带宽载体带宽 1012Hz 105Hz载流子相互作用载流子相互作用 弱弱 强强4 电子通信系统的核心是如何控制电子的运电子通信系统的核心是如何控制电子的运动状态。与之类似，全光通信系统的关键就在动状态。与之类似，全光通信系统的关键就在于于如何控制光子运动如何控制光子运动。然而，设计出一种类似然而，设计出一种类似电子晶体的光子器件来控制光子的运动却是困电子晶体的光子器件来控制光子的运动却是困难重重，这成为全光通信系统应用的绊脚石。难重重，这成为全光通信系统应用的绊脚石。光纤的使用已经使我们朝以光子作为信息光纤的使用已经使我们朝以光子作为信息载体的通信系统迈出了可喜的一步，但信息的载体的通信系统迈出了可喜的一步，但信息的输入、输出以及处理等核心部分仍然依靠传统输入、输出以及处理等核心部分仍然依靠传统电子器件！电子器件！5 光子晶体、超常材料光子晶体、超常材料等新型光子材料的出现等新型光子材料的出现将有可能改变这一现状。将有可能改变这一现状。6D.K.Mynbaev and L.L.Scheiner say,“你要成为电信业某个领域的专业人员的决定你要成为电信业某个领域的专业人员的决定-这也就这也就意味着你要成为光纤通信领域内的专业人员意味着你要成为光纤通信领域内的专业人员-预示着预示着你职业生涯的美好未来。你职业生涯的美好未来。我们的经验已经表明，即使是对于刚毕业的大学生而言，他所面临的问题不是找工作，而是如何在很多已经很好的工作中找一个最好的工作。现在，电信业中的企业相互竞争工艺专业、工程师和产品经理，他们甚至比那些急于寻找工作的求职者表现得更积极。所以，光纤技术的专业人员属光纤技术的专业人员属于美国工业中最高收入的阶层。于美国工业中最高收入的阶层。”光纤通信技术光纤通信技术，机械工业出版社，200271.大学物理大学物理课程有关振动和波课程有关振动和波,电磁学和光学部分电磁学和光学部分;2.电磁场与电磁波电磁场与电磁波;3.光纤通信光纤通信;4.通信基础课如通信基础课如信号与系统信号与系统、数字信号处理数字信号处理(option)；5.一门编程语言一门编程语言(我们用我们用CPP)，或一种数学工具如，或一种数学工具如Matlab，Mathematica;6.一种绘图软件如一种绘图软件如Origin.你应该具备什么基础你应该具备什么基础?I suggest that you have equipped yourself with these.8Overall goals of this coursen掌握光脉冲在光纤中传播的规律：掌握光脉冲在光纤中传播的规律：现象；现象背后的物理机制；这些现象对通信系统的影响及其控制方法。n掌握光脉冲在光纤中的传播特性及其在光纤通信中掌握光脉冲在光纤中的传播特性及其在光纤通信中的应用的应用 传播特性器件原理器件9How do I teach？n讲授讲授讲方法：学习方法，研究方法。讲方法：学习方法，研究方法。n讨论讨论 Sometimes,I would like to discuss some questions with you.To ask questions and express your ideas!And,because I will tailor the class to your background.(Give background survey.)10How do I teach？n给任务给任务 A.You should equip yourselves with the prerequisite courses;B.You must prepare the contents I will teach next time;C.I will also attempt to give an intuition,leaving the more quantitative results for the homework and reading.11How do you study?A.来上课（来上课（Why bother coming to class?）；）；B.去练习（查文献去练习（查文献+推导推导+完成作业完成作业+模拟）模拟）;C.相互之间多交流、多合作。相互之间多交流、多合作。多动脑、勤动手多动脑、勤动手 多读文献，少多读文献，少qqqq(不要跟陌生人说话！)。12第一章第一章 导论导论nAbout optical fibers 认识光纤；了解光纤特性:线性特性:吸收(损耗,衰减),色散;非线性特性:自相位调制,受激散射,四波混频.了解光纤通信 nAbout light(self-studying)13The metric systemPrefixes:Milli(m)10-3Micro()10-6Nano(n)10-9Pico(p)10-12Femto(f)10-15Atto(a)10-18Kilo(k)10+3Mega(M)10+6Giga(G)10+9Tera(T)10+12Peta(P)10+15SmallBigWell need to really know the metric system because the pulses are incredibly short and the powers and intensities can be incredibly high.Exa(E)10+1814Remember some useful numbersn玻璃中的光速 v=c/n 其中 c=3 x 108 m/s,n 1.5n频率 波长=光速qe.g.for 1.5mm,frequency=200THzn波长用microns(微米mm)and nanometres(纳米nm)来衡量n频率用 吉赫兹（GHz，109 Hz）来衡量nA WDM channel spacing at 1.55mm might be 1nm-what is this in frequency?qAbout 125GHzq0.8nm 100GHz-well worth remembering!nAn optical amplifier has a pass band of 30-40nm ie 4THzn脉冲宽度用皮秒(ps,10-12 s)或飞秒(fs,10-15 s)来衡量15protectivepolymersheath光纤是什么？光纤是什么？silica claddingn2 1.45losses 0.2 dB/km(amplifiers every50100km)but this is as good asit gets R.Ramaswami&K.N.Sivarajan,Optical Networks:A Practical Perspective 光纤就是玻璃丝光纤就是玻璃丝Today,more complex profiles to tune dispersion“high”indexdoped-silica coren1 1.46“LP01”confined modefield diameter 8m1616纤芯包层相对折射率差归一化频率单模条件:V 2.405典型多模光纤芯径 a=2530 m 单模 a 1560 nm 1560 nmbetterworse50-55 m2DSF1550 nm 1530 nmCorningLSFLucentsTruewave(critical problem with WDM)20模式模式(mode)是什么是什么?n传输介质中电磁波的一种电磁场分布样式电磁场分布样式。由与电磁波传播方向垂直的平面内一种特殊的场图形所表征。n光纤中的传播模的传播常数不能为任意值，它们是特征方程的一些解，取分离值，而特征方程是由这些模场必须满足的Maxwell方程组和一定的边界条件所决定的。21光纤模式光纤模式22光纤模式光纤模式线性偏振模(LPmn):m是角坐标在从0到2弧度间变化时出现最大（或最小）强度值次数的一半；n是径坐标从0到无穷远变化时出现的最大强度值的次数。23单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤单模条件：单模条件：单模光纤单模光纤:传播一个模传播一个模多模光纤多模光纤:可传播多个模可传播多个模24光纤特性光纤特性n线性特性线性特性 损耗（loss）色散(dispersion)偏振(polarization)n非线性特性 自相位调制（SPM）交叉相位调制（XPM）四波混频（FWM）受激Raman散射（SRS）25光能走多远光能走多远?吸收吸收(损耗损耗)&色散色散Attenuation effectAttenuation+chromatic dispersionLight transmission is limited by attenuation and dispersionDistancePerfect pulseReal pulse光能走多远取决于几个参数:吸收(损耗),色散,非线性26光纤损耗光纤损耗0.10.20.30.40.50.6波长波长(nm)衰减衰减(dB/km)1200110016001700140013001500CSLS:14401530 nm S:14401530 nm C:15301565 nmC:15301565 nmL:15651625 nmL:15651625 nmITU-T ITU-T ITU-T ITU-T 定义定义定义定义L,C,SL,C,SL,C,SL,C,S波段波段波段波段由于由于HO-引起的吸引起的吸收收(1385nm)dB/km单模石英光纤损耗谱27nWhen an electromagnetic wave interacts with the bound electrons of a dielectric,the medium response,in general,depends on the optical frequency.Far from the medium resonances,the refractive index is well approximated by the Sellmeier equation where j is the resonance frequency and Bj is the strength of jth resonance.The sum extends over all material resonances that contribute to the frequency range of interest.光纤色散光纤色散28 Mathematically where The parameters 1 and 2 are related to the refractive index n and its derivatives through the relations群速度色散（GVD）群折射率In the fiber-optics:29正常色散正常色散 D0反常色散反常色散 D0,20零色散点零色散点 D=1,31m在正常色散区在正常色散区,光脉冲的较高光脉冲的较高的频率分量的频率分量(蓝蓝移移)比比 较低的频较低的频率分量率分量(红移红移)传传输得慢输得慢在反常色散区在反常色散区,光脉冲的较高光脉冲的较高的频率分量的频率分量(蓝蓝移移)比比 较低的频较低的频率分量率分量(红移红移)传传输得快输得快熔石英单模光纤30单模光纤单模光纤(SMF:Single-Mode Fiber),色散位移光纤色散位移光纤(DSF:Dispersion Shifted Fibre)和非零色散位移光纤和非零色散位移光纤(NZDSF:Non-Zero Dispersion Shifted Fiber)的色散图的色散图Dispersion(ps/nm/km)Wavelength(nm)WDM band31Blue and red shifted light overlaps with neighbouring pulse-giving intersymbol interference(i.s.i.)penaltyPenalty increases with bit rate as:pulses are closer together and linewidth increases with bit rateLaser Linewidth and DispersionnAll optical signals have a non-zero optical bandwidthnFibre dispersion interacts with signal spectrum to cause pulse broadening:32Higher Bit-rates are lessrobust to Chromatic Dispersion60KM SMF-284 KM SMF-2810 Gb/s40 Gb/s色散效应对高速通信系统的影响CD of SMFtt33偏振模色散偏振模色散(PMD:Polarization Mode Dispersion)光纤纤芯形变导致两个光纤纤芯形变导致两个分量以不同的速度传播分量以不同的速度传播光场由两个分量组成光场由两个分量组成(2 polarization modes)WavelengthOriginal pulsePMD measurements on old fibers validated 10Gbit/s feasibilityPulse spreading34光纤通信选择哪些波长窗口光纤通信选择哪些波长窗口?0.10.20.30.40.50.6Attenuation(dB/km)1600170014001300120015001100Wavelength(nm)Dispersion-unshiftedFiberDispersion-shifted Fiber 20 10 0-10-20Dispersion(ps/nmkm)EDFAbandTrueWaveFiberAttenuation(all Fiber types)+DispersionInput PulseOutput PulseFiber Attenuation and Chromatic Dispersion35光纤通信选择哪些波长窗口光纤通信选择哪些波长窗口?The light sent in pulses has a certain range of frequencyLight1310nm1550nmWavelengthSilica characteristics give minimum fiber attenuation in 2 windows Light travels further at 1550nmWavelengths outside these windows do not travel well!1310nm1550nmAttenuation36光纤特性光纤特性n线性特性线性特性 损耗（loss）色散(dispersion)偏振(polarization)n非线性特性非线性特性 自相位调制（SPM）交叉相位调制（XPM）四波混频（FWM）受激Raman散射（SRS）37Self phase modulation(SPM)Cross phase modulation(XPM)Stimulated Raman Scattering(SRS)Stimulated Brillouin Scattering(SBS)Four wave mixing(FWM)光纤非线性光纤非线性(Fiber non-linearities)光在光纤中能走多远取决于如下几个参数光在光纤中能走多远取决于如下几个参数:-损耗损耗(attenuation),-色散色散(dispersion)and-光纤非线性光纤非线性(fiber non-linearities)among which:38光纤非线性的产生机制光纤非线性的产生机制n最主要的机制是光最主要的机制是光纤玻璃的玻璃的折射率与通折射率与通过其中的光功率有关其中的光功率有关。n0=The refractive index of the fiber core at low optical power levels.n2=The nonlinear refractive index coefficient(2.35 x 10-20 m2/W for silica).P=The optical power in Watts.Aeff=Effective area of the fiber core in square meters.Leading to SPM,XPM,FWMQuestion:how to eliminate the nonlinearities produced by refractive index power dependence?The Refractive Index of Silica versus Optical Power n第二种机制是光第二种机制是光纤玻璃中的玻璃中的光散射光散射现象象，如受激，如受激Raman散射散射(SRS)和和Brillouin散射散射(SBS)。39非线性效应在高速通信系统中的危害性非线性效应在高速通信系统中的危害性n Important to consider nonlinear effects at higher rates(10Gb/s and above)at higher transmitted powers nIn DWDM,important even at moderate powers and bit ratesqSPMnRefraction index variation induces chirp in a channel-dispersion penaltynSignificant at high power levelsq CPMnIn WDM system with multiple channels,the induced chirp in one channel depends on the refractive index variation with the intensity on other channel!q FWMnNew signals at combined frequencynDWDM system with DSF:crosstalk40Self-phase modulationq单通道相位效应q信号功率改变介质折射率q脉冲串通过光纤某点的功率随时间变化，P(t)q功率随时间变化导致折射率随时间变化，从而导致瞬时频率改变（频率啁啾）q产生的频率啁啾使信号谱加宽从而增加色散效应产生的频率啁啾使信号谱加宽从而增加色散效应q因而减少了比特率因而减少了比特率-距离积距离积41Cross-phase modulation多通道相位效应多通道相位效应(several wavelengths present in fiber,each carrying different data)其它通道的信号功率起伏改变介质折其它通道的信号功率起伏改变介质折射率射率脉冲串通过光纤某点的功率随时间变脉冲串通过光纤某点的功率随时间变化，化，P(t)功率随时间变化导致折射率随时间变功率随时间变化导致折射率随时间变化，从而导致瞬时频率改变（频率啁化，从而导致瞬时频率改变（频率啁啾）啾）产生的频率啁啾使信号谱加宽从而增产生的频率啁啾使信号谱加宽从而增加色散效应加色散效应因而减少了比特率因而减少了比特率-距离积距离积作替换：PP1+2P242Stimulated Raman Scattering(SRS)将短波长信号的功将短波长信号的功率转移到长波长率转移到长波长Stimulated Brillouin Scattering(SBS)43n n1n n2n n3n n221n n223n n112n n332n n331n n113n n132,312n n123,213n n231,321frequency New frequencies given by vi+vj-vk If channels are equally spaced,four wave mixing products will automatically lie on existing channels Unequal channel spacing is a way round the problem Four Wave Mixing Products44Effects of fiber characteristics on WDM Transmission PropertiesLossAttenuationDispersionDistortionNonlinearityNew FrequenciesGainAmplification&NoiseCauseEffect45SummarylGive a glimpse at what we will study later.l I hope that you Review what you learn today;Read Chapter 1;Do exercises on Page 17;Prepare Chpater 2 that Ill teach next time.46