非线性光纤光学-第十章-四波混频-课件

非线性光纤光学 第十章-四波混频1.1.四波混频的起源四波混频的起源参参参参量量量量过过过过程程程程起起起起源源源源于于于于光光光光场场场场作作作作用用用用下下下下介介介介质质质质的的的的束束束束缚缚缚缚电电电电子子子子的的的的非非非非线线线线性性性性响响响响应应应应，即即即即作作作作用用用用场场场场与与与与介介介介质质质质极极极极化化化化的的的的关关关关系系系系不不不不是是是是线线线线性性性性的的的的，而而而而是是是是包包包包含含含含有有有有非非非非线线线线性性性性项项项项，其其其其大大大大小小小小由由由由非非非非线线线线性性性性电电电电极极极极化化化化率率率率决决决决定定定定在在在在偶偶偶偶极极极极子子子子近近近近似似似似下下下下，对对对对各各各各向向向向同同同同性性性性介介介介质质质质，其其其其二二二二阶阶阶阶电电电电极极极极化化化化率率率率为为为为零零零零。三三三三阶阶阶阶参参参参量量量量过过过过程程程程是是是是主主主主要要要要的的的的非非非非线线线线性性性性过过过过程程程程，它它它它涉涉涉涉及及及及到到到到四四四四个个个个光光光光波波波波的的的的互互互互作作作作用用用用，包包包包括括括括诸诸诸诸如如如如三三三三次次次次谐谐谐谐波波波波的的的的产产产产生生生生、四四四四波波波波混混混混频频频频和和和和参参参参量量量量放放放放大大大大等等等等现现现现象象象象。电场强度电场强度非线性极化强度非线性极化强度真空中的介电常数真空中的介电常数 三阶极化率三阶极化率考虑线偏振的四个光波的电场：考虑线偏振的四个光波的电场：2FWMFWM项包括相位匹配条件，只有对特性的频率和折射率才能满足相位项包括相位匹配条件，只有对特性的频率和折射率才能满足相位匹配（波矢匹配）条件；匹配（波矢匹配）条件；SPMSPM和和XPMXPM项不包括相位匹配项，是自动相项不包括相位匹配项，是自动相位匹配的。位匹配的。三个光子合成一个光子三个光子合成一个光子 两个光子湮灭，两个光子湮灭，产生两个新光子产生两个新光子3F F F FW W W WM M M M的的的的微微微微观观观观解解解解释释释释：在在在在量量量量子子子子力力力力学学学学术术术术语语语语中中中中，一一一一个个个个或或或或几几几几个个个个光光光光波波波波的的的的光光光光子子子子被被被被湮湮湮湮灭灭灭灭，同同同同时时时时产产产产生生生生了了了了几几几几个个个个不不不不同同同同频频频频率率率率的的的的新新新新光光光光子子子子，且且且且在在在在此此此此参参参参量量量量作作作作用用用用过过过过程程程程中中中中，净净净净能能能能量量量量和和和和动动动动量量量量是是是是守守守守恒恒恒恒的的的的，这这这这样样样样的的的的过过过过程程程程就就就就称称称称为为为为四四四四波波波波混混混混频频频频过过过过程程程程。42.四波混频的标量理论四波混频的标量理论在在在在准准准准连连连连续续续续条条条条件件件件下下下下运运运运转转转转，则则则则可可可可忽忽忽忽略略略略场场场场分分分分量量量量的的的的时时时时间间间间依依依依赖赖赖赖关关关关系系系系：光纤模式的空间分布光纤模式的空间分布 在近轴近似下，多模光纤内波幅度在近轴近似下，多模光纤内波幅度的演化由一组四耦合方程决定的演化由一组四耦合方程决定5交叠积分交叠积分 相位失配为相位失配为 忽略了四个光波频率之间的微小差别，引入一个新的平均非线性参量忽略了四个光波频率之间的微小差别，引入一个新的平均非线性参量 上面的四个方程可数值求解，但较复杂，为此进行简化：上面的四个方程可数值求解，但较复杂，为此进行简化：假定所有交叠积分都近似相等假定所有交叠积分都近似相等 6容容容容易易易易求求求求出出出出关关关关于于于于泵泵泵泵浦浦浦浦场场场场的的的的方方方方程程程程的的的的解解解解为为为为为入射泵浦功率为入射泵浦功率这一解表明，在无泵浦消耗的近似下，泵浦波仅获得了一个由这一解表明，在无泵浦消耗的近似下，泵浦波仅获得了一个由SPM和和XPM感应的相移感应的相移代入后两个方程，可得到关于信号场和闲频场的线性耦合方程：代入后两个方程，可得到关于信号场和闲频场的线性耦合方程：7大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流8引入引入引入引入 可得可得为有效相位失配为有效相位失配9参量增益参量增益参量增益参量增益g g为为为为 若两泵浦波在频率、偏振态和空间模式上都是不可区分（即同一泵浦）时，若两泵浦波在频率、偏振态和空间模式上都是不可区分（即同一泵浦）时，净相位失配为净相位失配为 参量增益的最大值为参量增益的最大值为 10n n超快四波混频过程超快四波混频过程超快四波混频过程超快四波混频过程对于包括了对于包括了对于包括了对于包括了GVDGVD、SPMSPM和和和和XPMXPM效应的皮秒光脉冲的四波混频，等价于效应的皮秒光脉冲的四波混频，等价于效应的皮秒光脉冲的四波混频，等价于效应的皮秒光脉冲的四波混频，等价于在一般条件下，所得方程很难解析求解，实际中常采用数值方法；在强在一般条件下，所得方程很难解析求解，实际中常采用数值方法；在强连续波泵浦下，可以认为泵浦波几乎没有消耗，此时泵浦方程存在解析连续波泵浦下，可以认为泵浦波几乎没有消耗，此时泵浦方程存在解析解。解。113.3.相位匹配技术相位匹配技术n n物物物物理理理理机机机机制制制制：相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配时时时时，参参参参量量量量增增增增益益益益对对对对应应应应F FWWMM的的的的峰峰峰峰值值值值，可可可可写写写写为为为为材料色散材料色散 波导色散波导色散 非线性效应非线性效应 对于简并对于简并FWM，上述贡献分别为，上述贡献分别为 为实现相位匹配，它们中至少有一个必须为负值！为实现相位匹配，它们中至少有一个必须为负值！12n n多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤中中中中的的的的相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配使使使使波波波波导导导导色色色色散散散散为为为为负负负负，满满满满足足足足相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配条条条条件件件件 光光光光纤纤纤纤模模模模式式式式的的的的一一一一些些些些组组组组合合合合13n n单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤中中中中的的的的相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配使使使使波波波波导导导导色色色色散散散散为为为为零零零零 改改改改变变变变光光光光纤纤纤纤零零零零色色色色散散散散波波波波长长长长，或或或或改改改改变变变变非非非非线线线线性性性性效效效效应应应应对对对对色色色色散散散散的的的的贡贡贡贡献献献献 近相位匹配的四波混频近相位匹配的四波混频 不足不足1mW的输入功率，产生了高达的输入功率，产生了高达0.5nW的功率。实际中，为了避免的功率。实际中，为了避免 四波混频感应的系统性能劣化，信道输入功率一般应保持在四波混频感应的系统性能劣化，信道输入功率一般应保持在1mW以下以下14零零零零色色色色散散散散波波波波长长长长附附附附近近近近的的的的相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配：在在在在光光光光纤纤纤纤零零零零色色色色散散散散波波波波长长长长附附附附近近近近，材材材材料料料料色色色色散散散散对对对对相相相相位位位位失失失失配配配配的的的的贡贡贡贡献献献献相相相相当当当当小小小小，波波波波导导导导色色色色散散散散对对对对相相相相位位位位失失失失配配配配的的的的贡贡贡贡献献献献取取取取决决决决于于于于光光光光纤纤纤纤的的的的设设设设计计计计，但但但但在在在在1 1.3 3 mm附附附附近近近近一一一一般般般般为为为为正正正正值值值值。在在在在泵泵泵泵浦浦浦浦波波波波长长长长的的的的有有有有限限限限范范范范围围围围内内内内，对对对对频频频频移移移移的的的的某某某某些些些些特特特特定定定定值值值值，材材材材料料料料色色色色散散散散能能能能抵抵抵抵消消消消波波波波导导导导色色色色散散散散和和和和非非非非线线线线性性性性色色色色散散散散15由由由由自自自自相相相相位位位位调调调调制制制制实实实实现现现现相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配：波波波波导导导导色色色色散散散散和和和和材材材材料料料料色色色色散散散散之之之之和和和和为为为为负负负负，通通通通过过过过非非非非线线线线性性性性色色色色散散散散抵抵抵抵消消消消它它它它们们们们16n n双双双双折折折折射射射射光光光光纤纤纤纤中中中中的的的的相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配：单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤中中中中一一一一种种种种重重重重要要要要的的的的相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配技技技技术术术术是是是是利利利利用用用用模模模模式式式式双双双双折折折折射射射射，它它它它源源源源于于于于两两两两正正正正交交交交偏偏偏偏振振振振传传传传输输输输波波波波的的的的不不不不同同同同的的的的有有有有效效效效模模模模折折折折射射射射率率率率；利利利利用用用用双双双双折折折折射射射射实实实实现现现现相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配能能能能够够够够实实实实现现现现频频频频移移移移的的的的调调调调谐谐谐谐 174.4.参量放大参量放大 光纤中的参量增益可以用来制造光放大器。这种基于光纤中的参量增益可以用来制造光放大器。这种基于光纤中的参量增益可以用来制造光放大器。这种基于光纤中的参量增益可以用来制造光放大器。这种基于FWMFWMFWMFWM的器件称为光纤的器件称为光纤的器件称为光纤的器件称为光纤参量放大器（参量放大器（参量放大器（参量放大器（FOPAFOPAFOPAFOPA），若将），若将），若将），若将FOPAFOPAFOPAFOPA置于能周期性地提供反馈的光学谐振腔置于能周期性地提供反馈的光学谐振腔置于能周期性地提供反馈的光学谐振腔置于能周期性地提供反馈的光学谐振腔内，也可以称为参量振荡器。内，也可以称为参量振荡器。内，也可以称为参量振荡器。内，也可以称为参量振荡器。n n放大器增益谱和带宽放大器增益谱和带宽放大器增益谱和带宽放大器增益谱和带宽完整地描述参量过程需要数值解耦合方程组，忽略泵浦消耗，并假定只完整地描述参量过程需要数值解耦合方程组，忽略泵浦消耗，并假定只完整地描述参量过程需要数值解耦合方程组，忽略泵浦消耗，并假定只完整地描述参量过程需要数值解耦合方程组，忽略泵浦消耗，并假定只有信号波和泵浦波的功率进入光纤，则光纤出射端信号波和闲频波的功有信号波和泵浦波的功率进入光纤，则光纤出射端信号波和闲频波的功有信号波和泵浦波的功率进入光纤，则光纤出射端信号波和闲频波的功有信号波和泵浦波的功率进入光纤，则光纤出射端信号波和闲频波的功率为率为率为率为参量增益参量增益 18 同同同同一一一一F FWWMM过过过过程程程程可可可可以以以以用用用用来来来来放放放放大大大大弱弱弱弱信信信信号号号号，同同同同时时时时产产产产生生生生新新新新波波波波闲闲闲闲频频频频波波波波，这这这这里里里里重重重重点点点点讨讨讨讨论论论论信信信信号号号号放放放放大大大大。放放放放大大大大因因因因子子子子为为为为 参量增益与相位失配有关，参量增益与相位失配有关，若不满足相位匹配条件，若不满足相位匹配条件，则放大器增益就会很小则放大器增益就会很小在在的极限条件下，可得的极限条件下，可得若相位失配相对较大，则信号增益相对较小，且随泵浦功率以若相位失配相对较大，则信号增益相对较小，且随泵浦功率以增长增长 19如果信号波长接近泵浦波长，则有如果信号波长接近泵浦波长，则有，此时，此时 若相位严格匹配若相位严格匹配()且且，则放大器增益变为，则放大器增益变为如果写成分贝单位时如果写成分贝单位时 参量增益的斜率参量增益的斜率 20放大器的带宽为放大器的带宽为在强泵浦情况下，带宽近似为在强泵浦情况下，带宽近似为对于单泵浦和双泵浦的对于单泵浦和双泵浦的FOPA，如果合理优化泵浦波长，其带如果合理优化泵浦波长，其带宽可以增加到宽可以增加到5THz以上以上 21n n单泵浦结构单泵浦结构单泵浦结构单泵浦结构由于非线性效应对相位失配的贡献，最大增益发生在信号波长相对于由于非线性效应对相位失配的贡献，最大增益发生在信号波长相对于由于非线性效应对相位失配的贡献，最大增益发生在信号波长相对于由于非线性效应对相位失配的贡献，最大增益发生在信号波长相对于泵浦波长的失谐量相对较大时泵浦波长的失谐量相对较大时泵浦波长的失谐量相对较大时泵浦波长的失谐量相对较大时为了兼顾增益和带宽，尽可能用短的光纤为了兼顾增益和带宽，尽可能用短的光纤为了兼顾增益和带宽，尽可能用短的光纤为了兼顾增益和带宽，尽可能用短的光纤通过周期性色散补偿或利用具有不同色散特性的多段光纤实现色散管通过周期性色散补偿或利用具有不同色散特性的多段光纤实现色散管通过周期性色散补偿或利用具有不同色散特性的多段光纤实现色散管通过周期性色散补偿或利用具有不同色散特性的多段光纤实现色散管理可以增加带宽理可以增加带宽理可以增加带宽理可以增加带宽22单泵浦单泵浦单泵浦单泵浦FOPAFOPAFOPAFOPA主要问题：主要问题：主要问题：主要问题：受激布里渊散射（受激布里渊散射（受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBSSBSSBSSBS）的影响）的影响）的影响）的影响 增益谱在整个带宽内远不是均匀的增益谱在整个带宽内远不是均匀的增益谱在整个带宽内远不是均匀的增益谱在整个带宽内远不是均匀的 EDFAEDFAEDFAEDFA的放大自发辐射噪声也能使的放大自发辐射噪声也能使的放大自发辐射噪声也能使的放大自发辐射噪声也能使FOPAFOPAFOPAFOPA的性能显著劣化的性能显著劣化的性能显著劣化的性能显著劣化n n双泵浦结构双泵浦结构双泵浦结构双泵浦结构双泵浦双泵浦双泵浦双泵浦FOPAFOPA利用非简并利用非简并利用非简并利用非简并FWMFWM过程，采用波长不同的两个泵浦光源。通过程，采用波长不同的两个泵浦光源。通过程，采用波长不同的两个泵浦光源。通过程，采用波长不同的两个泵浦光源。通过适当选择泵浦波长，双泵浦过适当选择泵浦波长，双泵浦过适当选择泵浦波长，双泵浦过适当选择泵浦波长，双泵浦FOPAFOPA能够在更宽的带宽内提供相当平坦能够在更宽的带宽内提供相当平坦能够在更宽的带宽内提供相当平坦能够在更宽的带宽内提供相当平坦的增益，而这对单泵浦的增益，而这对单泵浦的增益，而这对单泵浦的增益，而这对单泵浦FOPAFOPA来说是不可能的。双泵浦来说是不可能的。双泵浦来说是不可能的。双泵浦来说是不可能的。双泵浦FOPAFOPA的参量增的参量增的参量增的参量增益为益为益为益为23放大倍数；放大倍数；放大倍数；放大倍数；主要优点：主要优点：自由度多，仅用一段光纤即可实现平坦增益；自由度多，仅用一段光纤即可实现平坦增益；当信号波长位于增益谱的中央平坦区时，无需当信号波长位于增益谱的中央平坦区时，无需用光学滤波器滤除残余泵浦；用光学滤波器滤除残余泵浦；可以通过控制两个泵浦波的偏振态来减轻参量可以通过控制两个泵浦波的偏振态来减轻参量增益对信号偏振态的依赖关系；增益对信号偏振态的依赖关系；巧妙控制两个泵浦波的相位，用于波长变换的巧妙控制两个泵浦波的相位，用于波长变换的特定闲频光不会被展宽特定闲频光不会被展宽 主要缺点：主要缺点：喇曼感应功率转移降低了喇曼感应功率转移降低了FOPAFOPA增益；增益；零色散波长的起伏限制了实际中零色散波长的起伏限制了实际中FOPAFOPA的可用的可用带宽带宽 24光纤中的光纤中的光纤中的光纤中的FWMFWMFWMFWM是有利还是有害取决于其具体应用在哪个方面。是有利还是有害取决于其具体应用在哪个方面。是有利还是有害取决于其具体应用在哪个方面。是有利还是有害取决于其具体应用在哪个方面。在在在在WDMWDMWDMWDM系统中，系统中，系统中，系统中，FWMFWMFWMFWM能感应信道间的串扰，从而限制了能感应信道间的串扰，从而限制了能感应信道间的串扰，从而限制了能感应信道间的串扰，从而限制了WDMWDMWDMWDM系系系系统的性能。实际中可以采用色散管理方案来避免统的性能。实际中可以采用色散管理方案来避免统的性能。实际中可以采用色散管理方案来避免统的性能。实际中可以采用色散管理方案来避免FWMFWMFWMFWM感应串感应串感应串感应串扰，在这种方案中，每个光纤段的色散足够大，因此在整个扰，在这种方案中，每个光纤段的色散足够大，因此在整个扰，在这种方案中，每个光纤段的色散足够大，因此在整个扰，在这种方案中，每个光纤段的色散足够大，因此在整个链路长度上不满足链路长度上不满足链路长度上不满足链路长度上不满足FWMFWMFWMFWM过程需要的相位匹配条件。过程需要的相位匹配条件。过程需要的相位匹配条件。过程需要的相位匹配条件。FWMFWMFWMFWM有许多应用，包括信号放大、相位共轭和波长变换光学有许多应用，包括信号放大、相位共轭和波长变换光学有许多应用，包括信号放大、相位共轭和波长变换光学有许多应用，包括信号放大、相位共轭和波长变换光学取样、信道解复用、脉冲产生和高速光交换等领域，而且还取样、信道解复用、脉冲产生和高速光交换等领域，而且还取样、信道解复用、脉冲产生和高速光交换等领域，而且还取样、信道解复用、脉冲产生和高速光交换等领域，而且还能通过压缩态来降低量子噪声，以及产生量子相关的光子对。能通过压缩态来降低量子噪声，以及产生量子相关的光子对。能通过压缩态来降低量子噪声，以及产生量子相关的光子对。能通过压缩态来降低量子噪声，以及产生量子相关的光子对。5.FWM的应用的应用25n n参参参参量量量量振振振振荡荡荡荡器器器器：把把把把光光光光纤纤纤纤置置置置于于于于光光光光学学学学谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔内内内内，并并并并用用用用适适适适当当当当的的的的泵泵泵泵浦浦浦浦波波波波泵泵泵泵浦浦浦浦。信信信信号号号号波波波波和和和和闲闲闲闲频频频频波波波波最最最最初初初初通通通通过过过过自自自自发发发发调调调调制制制制不不不不稳稳稳稳定定定定性性性性（或或或或四四四四波波波波混混混混频频频频）从从从从噪噪噪噪声声声声中中中中产产产产生生生生，频频频频率率率率由由由由相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配条条条条件件件件决决决决定定定定。这这这这两两两两个个个个波波波波随随随随后后后后通通通通过过过过四四四四波波波波混混混混频频频频过过过过程程程程被被被被放放放放大大大大，结结结结果果果果激激激激光光光光器器器器同同同同时时时时发发发发射射射射信信信信号号号号波波波波和和和和闲闲闲闲频频频频波波波波，其其其其频频频频率率率率对对对对称称称称地地地地位位位位于于于于泵泵泵泵浦浦浦浦频频频频率率率率的的的的对对对对边边边边。这这这这种种种种激激激激光光光光器器器器称称称称为为为为参参参参量量量量振振振振荡荡荡荡器器器器，有有有有时时时时也也也也用用用用四四四四光光光光子子子子激激激激光光光光器器器器这这这这个个个个名名名名称称称称 主要优点：主要优点：能以窄线宽连续运转；能以窄线宽连续运转；能实现宽波长范围上可调；能实现宽波长范围上可调；波长不同的信号光和闲频光波长不同的信号光和闲频光 在量子意义上是相关的在量子意义上是相关的26n n量量量量子子子子噪噪噪噪声声声声和和和和相相相相关关关关四四四四波波波波混混混混频频频频过过过过程程程程中中中中信信信信号号号号光光光光子子子子和和和和闲闲闲闲频频频频光光光光子子子子的的的的同同同同时时时时产产产产生生生生说说说说明明明明，每每每每个个个个光光光光子子子子对对对对在在在在量量量量子子子子意意意意义义义义上上上上是是是是相相相相关关关关的的的的。这这这这一一一一相相相相关关关关性性性性可可可可通通通通过过过过一一一一种种种种所所所所谓谓谓谓的的的的“压压压压缩缩缩缩”现现现现象象象象来来来来减减减减小小小小量量量量子子子子噪噪噪噪声声声声。在在在在相相相相敏敏敏敏探探探探测测测测中中中中，通通通通过过过过调调调调整整整整本本本本机机机机振振振振荡荡荡荡器器器器的的的的相相相相位位位位，使使使使之之之之与与与与因因因因F F F FW W W WM M M M造造造造成成成成数数数数目目目目减减减减少少少少的的的的对对对对应应应应光光光光子子子子对对对对的的的的相相相相对对对对相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配，可可可可以以以以将将将将噪噪噪噪声声声声降降降降至至至至量量量量子子子子噪噪噪噪声声声声以以以以下下下下。27n n全全全全光光光光波波波波长长长长变变变变换换换换参参参参量量量量放放放放大大大大器器器器在在在在频频频频率率率率 产产产产生生生生闲闲闲闲频频频频波波波波，因因因因此此此此可可可可以以以以用用用用作作作作波波波波长长长长变变变变换换换换。波长转换效率为波长转换效率为 FWMFWM能够以完美的精度将信号数据转移到闲频波上，甚至能通过能够以完美的精度将信号数据转移到闲频波上，甚至能通过 降低强度噪声来改善信号质量降低强度噪声来改善信号质量FWMFWM是唯一一种对信号比特率和调制形式透明的全光波长变换技术是唯一一种对信号比特率和调制形式透明的全光波长变换技术28单一泵浦进行波长变换的方法存在变换效率随泵浦光与信号光频率差单一泵浦进行波长变换的方法存在变换效率随泵浦光与信号光频率差单一泵浦进行波长变换的方法存在变换效率随泵浦光与信号光频率差单一泵浦进行波长变换的方法存在变换效率随泵浦光与信号光频率差增加迅速下降、偏振敏感等缺点，而利用两束泵浦光则可以有效地解增加迅速下降、偏振敏感等缺点，而利用两束泵浦光则可以有效地解增加迅速下降、偏振敏感等缺点，而利用两束泵浦光则可以有效地解增加迅速下降、偏振敏感等缺点，而利用两束泵浦光则可以有效地解决这些问题，主要方法包括：利用两束偏振平行光进行泵浦、利用两决这些问题，主要方法包括：利用两束偏振平行光进行泵浦、利用两决这些问题，主要方法包括：利用两束偏振平行光进行泵浦、利用两决这些问题，主要方法包括：利用两束偏振平行光进行泵浦、利用两束偏振正交光泵浦和利用偏振分集方法。束偏振正交光泵浦和利用偏振分集方法。束偏振正交光泵浦和利用偏振分集方法。束偏振正交光泵浦和利用偏振分集方法。293031n n全全全全光光光光解解解解复复复复用用用用在在在在F F F FW W W WM M M M解解解解复复复复用用用用方方方方案案案案中中中中，光光光光时时时时钟钟钟钟作作作作为为为为泵泵泵泵浦浦浦浦源源源源，其其其其波波波波长长长长与与与与信信信信号号号号波波波波长长长长相相相相差差差差几几几几纳纳纳纳米米米米。只只只只有有有有当当当当信信信信号号号号脉脉脉脉冲冲冲冲与与与与泵泵泵泵浦浦浦浦脉脉脉脉冲冲冲冲同同同同时时时时出出出出现现现现并并并并在在在在时时时时域域域域中中中中交交交交叠叠叠叠的的的的时时时时候候候候，F F F FW W W WM M M M才才才才会会会会在在在在一一一一个个个个新新新新的的的的波波波波长长长长处处处处产产产产生生生生闲闲闲闲频频频频脉脉脉脉冲冲冲冲。而而而而新新新新波波波波长长长长处处处处的的的的滤滤滤滤波波波波器器器器会会会会阻阻阻阻挡挡挡挡泵泵泵泵浦浦浦浦与与与与信信信信号号号号脉脉脉脉冲冲冲冲，于于于于是是是是输输输输出出出出属属属属于于于于某某某某一一一一特特特特定定定定信信信信道道道道的的的的比比比比特特特特流流流流。32为为为为解解解解决决决决基基基基于于于于F FWWMM的的的的解解解解复复复复用用用用器器器器的的的的偏偏偏偏振振振振敏敏敏敏感感感感性性性性问问问问题题题题，可可可可以以以以采采采采用用用用偏偏偏偏振振振振分分分分集集集集技技技技术术术术，即即即即将将将将入入入入射射射射信信信信号号号号分分分分成成成成相相相相互互互互正正正正交交交交偏偏偏偏振振振振的的的的两两两两部部部部分分分分，分分分分别别别别进进进进行行行行处处处处理理理理，但但但但这这这这会会会会在在在在很很很很大大大大程程程程度度度度上上上上使使使使器器器器件件件件变变变变得得得得更更更更加加加加复复复复杂杂杂杂。如上图所示，控制时钟脉冲的偏振方向与保偏光纤的主轴成如上图所示，控制时钟脉冲的偏振方向与保偏光纤的主轴成45，同时，同时将随机偏振的信号脉冲分成相互正交的两个分量。由于这两个分量在同将随机偏振的信号脉冲分成相互正交的两个分量。由于这两个分量在同一非线性光纤中同时发生一非线性光纤中同时发生FWM作用，因此利用这一简单的实验结构就作用，因此利用这一简单的实验结构就实现了偏振分集。这种方法能够将实现了偏振分集。这种方法能够将160Gb/s的比特流解复用为的比特流解复用为10Gb/s的单一信道，且偏振敏感度小于的单一信道，且偏振敏感度小于0.5dB。33n n全光取样全光取样全光取样全光取样基于基于基于基于FWMFWM的取样技术最早是在的取样技术最早是在的取样技术最早是在的取样技术最早是在19911991年实现的，但由于非线性相对较弱，年实现的，但由于非线性相对较弱，年实现的，但由于非线性相对较弱，年实现的，但由于非线性相对较弱，需要需要需要需要14km14km长的色散位移光纤。长的色散位移光纤。长的色散位移光纤。长的色散位移光纤。随着高非线性光纤的出现，基于光纤中随着高非线性光纤的出现，基于光纤中随着高非线性光纤的出现，基于光纤中随着高非线性光纤的出现，基于光纤中FWMFWM的全光取样技术得到进一步的全光取样技术得到进一步的全光取样技术得到进一步的全光取样技术得到进一步发展，并在发展，并在发展，并在发展，并在20062006年达到商用水平。年达到商用水平。年达到商用水平。年达到商用水平。基本原理：每个连续的泵浦脉冲与信号脉冲的不同部分交叠，由于只有基本原理：每个连续的泵浦脉冲与信号脉冲的不同部分交叠，由于只有基本原理：每个连续的泵浦脉冲与信号脉冲的不同部分交叠，由于只有基本原理：每个连续的泵浦脉冲与信号脉冲的不同部分交叠，由于只有当信号脉冲与泵浦脉冲同时出现时当信号脉冲与泵浦脉冲同时出现时当信号脉冲与泵浦脉冲同时出现时当信号脉冲与泵浦脉冲同时出现时FWMFWM才发生，因而产生的闲频光就代才发生，因而产生的闲频光就代才发生，因而产生的闲频光就代才发生，因而产生的闲频光就代表对信号脉冲的取样，而且由于参量增益的指数特性，信号脉宽甚至比表对信号脉冲的取样，而且由于参量增益的指数特性，信号脉宽甚至比表对信号脉冲的取样，而且由于参量增益的指数特性，信号脉宽甚至比表对信号脉冲的取样，而且由于参量增益的指数特性，信号脉宽甚至比泵浦脉宽还要窄。泵浦脉宽还要窄。泵浦脉宽还要窄。泵浦脉宽还要窄。图中（图中（图中（图中（a a）、（）、（）、（）、（b b）、（）、（）、（）、（c c）、）、）、）、（d d）分别是输入信号、短）分别是输入信号、短）分别是输入信号、短）分别是输入信号、短泵浦脉冲取样序列、通过泵浦脉冲取样序列、通过泵浦脉冲取样序列、通过泵浦脉冲取样序列、通过FWMFWM产生的闲频脉冲序列、产生的闲频脉冲序列、产生的闲频脉冲序列、产生的闲频脉冲序列、取样脉冲（点线）与其拟合取样脉冲（点线）与其拟合取样脉冲（点线）与其拟合取样脉冲（点线）与其拟合形状（实线），插图比较了形状（实线），插图比较了形状（实线），插图比较了形状（实线），插图比较了泵浦脉冲（实线）与闲频脉泵浦脉冲（实线）与闲频脉泵浦脉冲（实线）与闲频脉泵浦脉冲（实线）与闲频脉冲（虚线）。冲（虚线）。冲（虚线）。冲（虚线）。34n n光纤参数的测量光纤参数的测量光纤参数的测量光纤参数的测量 FWMFWMFWMFWM这种非线性现象也可以用来测量非线性系数和色散量参数这种非线性现象也可以用来测量非线性系数和色散量参数这种非线性现象也可以用来测量非线性系数和色散量参数这种非线性现象也可以用来测量非线性系数和色散量参数 如图所示，用光纤放大器将两如图所示，用光纤放大器将两DFB激光器的连续输出放大后，入射到色散位移光纤激光器的连续输出放大后，入射到色散位移光纤中。通过调制两激光器的偏置电流，使其线宽超过中。通过调制两激光器的偏置电流，使其线宽超过500MHz来抑制来抑制SBS。待测光纤。待测光纤在在1.55m附近具有相对小的色散，以利于满足相位匹配条件。通过测量附近具有相对小的色散，以利于满足相位匹配条件。通过测量FWM边带边带的功率，进而求出待测光纤的的功率，进而求出待测光纤的n2值为值为2.251020 m2/W。3536n n全全全全光光光光再再再再生生生生从从从从2 20 00 00 0年年年年起起起起，F FWWMM这这这这种种种种非非非非线线线线性性性性现现现现象象象象在在在在2 2RR再再再再生生生生领领领领域域域域开开开开始始始始受受受受到到到到关关关关注注注注，并并并并有有有有几几几几个个个个实实实实验验验验证证证证实实实实了了了了这这这这种种种种再再再再生生生生器器器器在在在在实实实实际际际际中中中中的的的的应应应应用用用用。F FWWMM可可可可以以以以将将将将光光光光纤纤纤纤变变变变为为为为参参参参量量量量放放放放大大大大器器器器。与与与与任任任任何何何何放放放放大大大大器器器器类类类类似似似似，当当当当信信信信号号号号功功功功率率率率大大大大到到到到使使使使放放放放大大大大器器器器饱饱饱饱和和和和的的的的时时时时候候候候，F FOOP PAA增增增增益益益益也也也也会会会会饱饱饱饱和和和和。由由由由于于于于这这这这种种种种增增增增益益益益饱饱饱饱和和和和，脉脉脉脉冲冲冲冲峰峰峰峰值值值值功功功功率率率率的的的的抖抖抖抖动动动动会会会会在在在在很很很很大大大大程程程程度度度度上上上上得得得得到到到到抑抑抑抑制制制制。37基于基于基于基于FWMFWM的再生器的性能可以通过采用两的再生器的性能可以通过采用两的再生器的性能可以通过采用两的再生器的性能可以通过采用两FOPAFOPA级联结构进一级联结构进一级联结构进一级联结构进一步提高。下图所示为经过第一级与第二级步提高。下图所示为经过第一级与第二级步提高。下图所示为经过第一级与第二级步提高。下图所示为经过第一级与第二级FOPAFOPA后测量到的功率后测量到的功率后测量到的功率后测量到的功率传递函数，第二级后接近阶跃函数的形状说明这一方案还有进一传递函数，第二级后接近阶跃函数的形状说明这一方案还有进一传递函数，第二级后接近阶跃函数的形状说明这一方案还有进一传递函数，第二级后接近阶跃函数的形状说明这一方案还有进一步改进的可能。步改进的可能。步改进的可能。步改进的可能。38n n超超超超连连连连续续续续谱谱谱谱的的的的产产产产生生生生 超超超超短短短短脉脉脉脉冲冲冲冲在在在在光光光光纤纤纤纤中中中中传传传传输输输输时时时时，F FWWMM过过过过程程程程伴伴伴伴随随随随着着着着多多多多个个个个其其其其他他他他的的的的非非非非线线线线性性性性效效效效应应应应，如如如如S SP PMM、X XP PMM、S SR RS S等等等等，同同同同时时时时还还还还有有有有色色色色散散散散的的的的影影影影响响响响，所所所所有有有有这这这这些些些些非非非非线线线线性性性性过过过过程程程程能能能能在在在在原原原原始始始始脉脉脉脉冲冲冲冲频频频频谱谱谱谱内内内内产产产产生生生生新新新新的的的的频频频频率率率率成成成成分分分分。对对对对足足足足够够够够强强强强的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲，其其其其频频频频谱谱谱谱范范范范围围围围可可可可以以以以超超超超过过过过1 10 0 T THHz z，这这这这一一一一点点点点已已已已经经经经得得得得到到到到证证证证明明明明。这这这这种种种种展展展展宽宽宽宽也也也也被被被被称称称称作作作作超超超超连连连连续续续续谱谱谱谱的的的的产产产产生生生生，并并并并最最最最早早早早在在在在固固固固体体体体和和和和气气气气体体体体非非非非线线线线性性性性介介介介质质质质中中中中研研研研究究究究。J.K.Ranka et al.,Opt.Lett.Vol.25,pp.25-27,200039Continuum is quite beautiful!40n nFWMFWM是光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所是光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所是光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所是光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。谓混频产物或边带的新光波的现象。谓混频产物或边带的新光波的现象。谓混频产物或边带的新光波的现象。本本 章章 小小 结结41n n 对于等间隔的对于等间隔的对于等间隔的对于等间隔的WDMWDM系统，这些频率分量系统，这些频率分量系统，这些频率分量系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。严重影响系统的性能。严重影响系统的性能。严重影响系统的性能。1 1 2 2 3 3n n 减小减小减小减小FWMFWMFWMFWM影响的措施：影响的措施：影响的措施：影响的措施：仔细选择各信道的位置，使得那些拍频项不与信道带宽范围重仔细选择各信道的位置，使得那些拍频项不与信道带宽范围重仔细选择各信道的位置，使得那些拍频项不与信道带宽范围重仔细选择各信道的位置，使得那些拍频项不与信道带宽范围重叠。这对于较少信道数的叠。这对于较少信道数的叠。这对于较少信道数的叠。这对于较少信道数的WDMWDMWDMWDM系统是可能的，但必须仔细计算信系统是可能的，但必须仔细计算信系统是可能的，但必须仔细计算信系统是可能的，但必须仔细计算信道的确切位置。道的确切位置。道的确切位置。道的确切位置。增加信道间隔，增加信道之间的群速度失配。但缺点是增加了增加信道间隔，增加信道之间的群速度失配。但缺点是增加了增加信道间隔，增加信道之间的群速度失配。但缺点是增加了增加信道间隔，增加信道之间的群速度失配。但缺点是增加了总的系统带宽，从而要求放大器在较宽的带宽范围内有平坦的增总的系统带宽，从而要求放大器在较宽的带宽范围内有平坦的增总的系统带宽，从而要求放大器在较宽的带宽范围内有平坦的增总的系统带宽，从而要求放大器在较宽的带宽范围内有平坦的增益谱，另外还增加了益谱，另外还增加了益谱，另外还增加了益谱，另外还增加了SRSSRSSRSSRS引起的功率代价。引起的功率代价。引起的功率代价。引起的功率代价。增加光纤的有效面积，降低光纤中光功率密度。增加光纤的有效面积，降低光纤中光功率密度。增加光纤的有效面积，降低光纤中光功率密度。增加光纤的有效面积，降低光纤中光功率密度。针对不同的波长信道引入延时，从而扰乱不同波长信道的相位针对不同的波长信道引入延时，从而扰乱不同波长信道的相位针对不同的波长信道引入延时，从而扰乱不同波长信道的相位针对不同的波长信道引入延时，从而扰乱不同波长信道的相位关系。关系。关系。关系。42