北大光纤通信课件：7非线性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,7、非线性,5月28日 6月10日,非线性光纤光学原理及应用上篇,第1章 导论 p415；,第4章 自相位调制 p6383；,第7章 交叉相位调制 p165170；,第8章 受激拉曼散射 p187191，p194199,第9章 受激布里渊散射 p222223，p238239；,第10章 参量过程 p244249，p267272,1,7、非线性,5月17-24日,非线性概念,线性系统：,1、输入、输出信号频谱相同,2、特性参数,（传递函数）,与输入信号幅度无关,线性系统的输入、输出满足叠加原理,线性系统,N路信号同时输入,线性系统,N路信号分别输入,2,光纤的结构和基本特性,G.652单模光纤结构参数,包层直径：125,m,纤芯折射率：1.468,纤芯直径： 8,m (DCF 45,m ),相对折射率差：0.3%,在小信号状态下，光纤是线性传输系统。,由于光纤的纤芯直径很小，即使在输入光功率并不太大的情况下，纤芯内的能量密度也非常大。这就使光纤内部介质材料的物理特性参数可能与光强有关，也就是说光纤内部的介质材料可以从,线性材料,变为,非线性材料,。,7、非线性,5月17-24日,3,光纤的非线性（3-p13）,正常情况下，光纤是线性传输系统，当光强很大时，光纤可以转变为非线性传输系统。,线性系统：系统的输入、输出符合线性叠加关系。即：N个信号同时输入系统产生的响应 = 每个信号单独输入系统产生的响应的总和。线性系统的基本特点：,1、系统的固有物理参量与输入信号强度无关；,2、不产生新的频率分量。,当光纤转变为非线性传输系统时，其电偶极子的极化强度,P,与电场的关系满足非线性关系：,其中,n,是三维空间的,n,+ 1 阶张量，元素个数为 3,n,+ 1,。,7、非线性,5月17-24日,4,光纤的非线性（3-p13）,7、非线性,5月17-24日,1次点乘后化为矢量,2 次点乘后化为矢量,5,整个表达式完全展开十分繁琐，一般都假设电场只有一个分量以便简化计算。,需要注意的是，由于此时讨论的是非线性系统，三个电场分量单独作用于系统的响应的线性叠加不等于三个电场共同作用于系统时的响应。,光纤中的最低阶非线性起源于,（3）,。它可引起 3 次谐波混频、4 波混频以及非线性折射现象。由于光纤中产生新频率分量的非线性效应需要严格的相位匹配条件，一般情况下不易发生。因此光纤中的非线性效应主要是非线性折射引发的。,非线性折射率：,其中，假设光场为线偏振，且偏振方向为,x,。,7、非线性,5月17-24日,6,光纤中的非弹性散射：,1、拉曼散射和受激拉曼散射 SRS,7、非线性,5月17-24日,f,in,f,out,为拉曼散射光,光学声子,f,f,in,=,f,out,+,f,；,石英系光纤,f,13.2,THz 在,光,波频段,增益谱与泵浦波长相关,（ 3-图8.1）,在光纤中自发拉曼散射始终存在，但其转换效率很低,（10,6,）,，所以拉曼光纤放大器的噪声系数较小。当光纤中的光功率密度达到,阈值后,（按 3-8.1.13式的讨论条件 600 mW）,将发生转换效率很高的受激拉曼散射,（大部分输入光功率可以转移到信号光上）,。,7,光纤中的非弹性散射：,1、拉曼散射和受激拉曼散射 SRS,7、非线性,5月17-24日,f,in,f,out,为拉曼散射光,光学声子,f,f,in,=,f,out,+,f,；,石英系光纤,f,13.2,THz 在,光,波频段,增益谱与泵浦波长相关,（ 3-图8.1）,信号光将诱发拉曼散射光（受激拉曼散射），信号光功率被放大。,f,singal,=,f,out,8,光纤中的非弹性散射：,1、拉曼散射和受激拉曼散射 SRS,假设拉曼增益谱为洛伦兹形，则激拉曼散射的临界泵浦功率可近似为：,A,ff,为光纤有效截面积，,L,ff,为光纤有效长度，,g,R,为拉曼增益系数。,标准单模光纤,（SSMF）,8,m，,受激拉曼散射的阈值,（临界泵浦功率）,：, 500mW,色散补偿光纤,（DCF）,45,m，,受激拉曼散射的阈值,（临界泵浦功率）,：, 100mW,7、非线性,5月17-24日,9,2、拉曼光纤放大器,7、非线性,5月17-24日,输入信号光,掺铒光纤,输出光,光隔离器,光滤波器,光耦合器,光隔离器,光耦合器,同向,泵浦激光器及控制电路,数十到数百米,反向,泵浦激光器及控制电路,光耦合器,SMF 光纤,光耦合器,同向,泵浦激光器及控制电路,光信号,发射端机,反向,泵浦激光器及控制电路,光信号,接收端机,DCF 光纤,SMF 光纤,DCF 光纤,数十到数百米,数十到数百公里,SSMF 8,m ，受激拉曼散射的阈值 500mW,DCF 45,m，受激拉曼散射的阈值 100mW,10,2、拉曼光纤放大器,优点主要包括：,1、频带宽,（13.2THz 100nm，增加泵浦源可以拓宽放大器的增益频带）,；,2、噪声系数低,（低于 EDFA，光纤中自发拉曼散射的效率很低 10,6,）,。,主要困难：,分布式放大，适合点对点应用，在光网络中存在优化困难。,7、非线性,5月17-24日,光耦合器,SSM 光纤,光耦合器,同向,泵浦激光器及控制电路,光信号,发射端机,反向,泵浦激光器及控制电路,光信号,接收端机,DCF 光纤,SSM 光纤,DCF 光纤,数十到数百米,数十到数百公里,SSMF 8,m ，受激拉曼散射的阈值 500mW,DCF 45,m，受激拉曼散射的阈值 100mW,11,f,P,f,out1,f,in1,f,outN,f,inN,13.2,THz,拉曼放大器带宽,1、频带宽,（13.2THz 100nm，,增加泵浦源数量可以拓宽放大器的增益频带,）；,假设拉曼放大系统有 N 个泵浦源 ：,f,in1,=,f,out1,+,f,； ；,f,inN,=,f,outN,+,f,已知石英系光纤,f,13.2,THz,7、非线性,5月17-24日,光耦合器,SSM 光纤,光耦合器,同向,泵浦激光器及控制电路,光信号,发射端机,反向,泵浦激光器及控制电路,光信号,接收端机,DCF 光纤,SSM 光纤,DCF 光纤,数十到数百米,数十到数百公里,SSMF 8,m ，受激拉曼散射的阈值 500mW,DCF 45,m，受激拉曼散射的阈值 100mW,12,拉曼放大器的带宽,f,：,已知：,f,in,=,f,out,+,f,；,f,13.2,THz,f =,f,outN,f,out1,=（,f,inN,f,）,（,f,in1,f,）=,f,inN,f,in1,7、非线性,5月17-24日,f,P,f,out1,f,outN,f,in1,f,inN,13.2,THz,拉曼放大器带宽,代入,f,= 13.2 THz，, = 1550 nm，光速,c,。 105.7 nm，远远大于 EDFA。,13,光纤中的非弹性散射：,3、受激布里渊散射 SBS 的基本概念,7、非线性,5月17-24日,f,in,f,out,为受激布里渊散射光,声学声子,f,f,in,=,f,out,+,f,；,f ,10 GHz 在,声,波频段,受激布里渊散射的理论,阈值很小，按照 3,-,9.2.6 式的讨论条件 1 mW。在 1550 nm 附近，实际标准单模光纤的受激布里渊散射阈值大于 30 mW。,受激布里渊散射只有与输入信号相反方向的输出光,。,由于受激布里渊散射背向传输特征和声波频差,（,f,= 10 GHz，, = 1550 nm， 0.8 nm,）,，因此该机理不适合于光纤通信系统中的光放大器。,目前，受激布里渊散射是光纤通信系统中的有害效应。,14,参量过程,参量过程的基本概念：由于介质特性参量受到输入信号的影响所产生的非线性现象。,四波混频,四波混频的基本概念：一个或几个光子湮灭，同时产生几个频率不同的新光子。,四波混频是量子力学的术语，相对于通信工程中的混频概念，此处的混频一词具有更广义的概念。,7、非线性,5月17-24日,15,耦合振幅方程的近似解,（3-147）,耦合振幅方程需要采用数值方法求解，在特定的近似条件下也可以得到解析解。,若假设四波混频的效率极低，泵浦光功率恒定不变,（,实际上，这个条件将非线性过程线性化了,）,，则可以得到解析解。,（3-10,.2.19/20）,但是，在需要非线性效应的实际应用中，我们总是希望四波混频的效率越高越好。因此，上述解析解的实际应用价值不大。,7、非线性,5月17-24日,16,