光纤的非线性ppt课件

1、1-1Copyright Wang Yan4.4.光纤的非线性光纤的非线性一、非线性效应一、非线性效应线性介质：线性介质：非线性介质强场：非线性介质强场： d：二阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型：二阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型值为值为 三阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型三阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型值为值为EP0 EEdEP)3(242021241010d2934)3(1010)3(1-2Copyright Wang Yan 二阶非线性系数二阶非线性系数d d导致产生二次谐涉及和频等一系列非导致产生二次谐涉及和频等一系列非线性效应。但它仅缺乏分子

2、量级反转对称的介质才不线性效应。但它仅缺乏分子量级反转对称的介质才不为为0 0。对。对 对称分子石英玻璃的对称分子石英玻璃的d d0 0，所以光纤，所以光纤通常不表现出二阶非线性效应，主要讨论其三阶非线通常不表现出二阶非线性效应，主要讨论其三阶非线性效应。性效应。 A.A.非线性折射：折射率佼核与光强弹性效应非线性折射：折射率佼核与光强弹性效应 总折射率：总折射率： 弹性：自相关调制弹性：自相关调制SPM:self phase modulationSPM:self phase modulation 交叉相关调制交叉相关调制XPM:Cross phase ModulationXPM:Cross

3、phase Modulation2SiO22)(),(EnnEn1-3Copyright Wang YanB、受激非弹性散射：非线性介质有能量交换、受激非弹性散射：非线性介质有能量交换1.受激拉曼散射：受激拉曼散射：Stimulated Raman ScatteringSRS2.受激布里渊散射：受激布里渊散射： Stimulated Brillouin ScatteringSBSC参量过程：参量过程：四波混频：四波混频：FWM-Four Wave Mixing1-4Copyright Wang Yan二、有效长度二、有效长度effective lengtheffective lengthA A

4、由于非线性效应依赖于光强，所以，随着光场由于非线性效应依赖于光强，所以，随着光场在传播过程中的衰减尔消逝在传播过程中的衰减尔消逝B B大系数的非线性效应只是在光纤的起始阶段比大系数的非线性效应只是在光纤的起始阶段比较明显较明显C C为了简化模型，引入有效长度的概念为了简化模型，引入有效长度的概念D D有效长度有效长度ELELE E： 是脉冲的峰值功率是脉冲的峰值功率11)1()(0000LELLzLEaeLePdzePdzZPLP20EP 1-5Copyright Wang Yan),(Re),(),()(00ztjetzAyxJtyxE1-6Copyright Wang Yan三、三、Eff

5、ective AreaA.A.类似地，由于光场在整个光纤截面上并不均匀分布，类似地，由于光场在整个光纤截面上并不均匀分布，非线性效应在整个光纤的截面上并不是均匀的。非线性效应在整个光纤的截面上并不是均匀的。B.B.定义有效面积，在此之内假定光强是常数定义有效面积，在此之内假定光强是常数C.C.在此以外假定变场为在此以外假定变场为0 0D.D.有效截面面积有效截面面积E. E. 对规范对规范SMF SMF rrrrErdrdrFrdrdrFrdrdHErdrdHEA42222),(),()()(EA285 m1-7Copyright Wang Yan 对色散光杠杆：对色散光杠杆：256 m1-8

6、Copyright Wang Yan四、四、Self -Phase ModulationSelf -Phase ModulationA A、单色平面波：、单色平面波：B B、新的频率成份、新的频率成份 似忽略似忽略 reasonreason：其频率在感兴趣的频段以外：其频率在感兴趣的频段以外 其强度弱由于有设有同基波进展任相其强度弱由于有设有同基波进展任相 匹配匹配03)3)3()(00)cos(),(),(00ztEtzEtrE3341)cos(43)(cos),(00003)3(00033)3(01ttztEztEtrPNL1-9Copyright Wang YanC C、基波另外的分量会

7、引起频率的啁啾，并且改动其色散、基波另外的分量会引起频率的啁啾，并且改动其色散D D、忽略、忽略3 3次谐波次谐波)(cos)43(),(0033)3(01ztEEtrPNL2)3()1(200431Eccnn00)1(211-10Copyright Wang Yan)cos(43)cos()1(002)3(0000)1(ttEEttEPPPNL)cos()431 (0002)3()3(ttEE1-11Copyright Wang Yan五、基波五、基波SPM:SPM:相位是光强的函数相位是光强的函数A A、相位、相位B B 、折射率：、折射率：1 1、在石英光线中、在石英光线中 (1)(3)

8、20314Ec(1)(3)2023114nnEcn( 3 )2023(1)8nEcn2(3 )00231()()82nnnIncn Ecnn82: 2.23.410/nmw1-12Copyright Wang Yan2、典型：、典型：C 、SPM 啁啾啁啾1、与强度有关的波失导数负的相移、与强度有关的波失导数负的相移2、该负折射的脉冲中心最大，在脉冲边缘最小、该负折射的脉冲中心最大，在脉冲边缘最小3、瞬时频率、瞬时频率 823.210/mw(1 )( 3 )20318nEc00( 3 )2002(,)(,)c o s ()3c o s ()8EntEztEtzEtzEzndd t1-13Cop

9、yright Wang Yan信号频率的瞬间变化：信号频率的瞬间变化：2( 3 )238N LidEdZd tnd t1-14Copyright Wang Yan4、The leading edge: The trailing edg The trailing edg 蓝移蓝移 脉冲顶部脉冲顶部 ： 20dEd t0i20dEd t0i20dEd t0i红移红移1-15Copyright Wang Yan五、五、Cross phase Modulation XPM 当两个或每个不同波长的光波在光钎中同时传播时当两个或每个不同波长的光波在光钎中同时传播时他们将经过光纤的非线形而相互作用。此时有效

10、折射他们将经过光纤的非线形而相互作用。此时有效折射率不仅与该波的强度有关，也与其他波的强度有关。率不仅与该波的强度有关，也与其他波的强度有关。XPMXPM就是指光纤中某波长的广场就是指光纤中某波长的广场E E由同时输出另一波长由同时输出另一波长的光场的光场E2E2所引出的非线性相移。所引出的非线性相移。 XPM XPM 引起光脉冲的频谱不对称的展宽引起光脉冲的频谱不对称的展宽 假定假定WDMWDM中信号：中信号：22012(2)N LLn k LEE1-16Copyright Wang Yan非线性电极化：非线性电极化：1-17Copyright Wang Yan1 1、非线性效应在、非线性效

11、应在WDMWDM中产生新的频率成分中产生新的频率成分2 2、分量、分量 ， 和和 与基波没有实与基波没有实现相位匹配，可忽略。现相位匹配，可忽略。3 3、分量、分量 和和 是四波混频是四波混频4 4、剩余为、剩余为SPMSPM和和XPMXPM成分成分5 5、XPMXPM和和SPMSPM的作用类似的作用类似6 6、假设、假设E1=E2E1=E2，XPMXPM的效应是的效应是SPMSPM的的2 2倍。倍。12212213231221221-18Copyright Wang Yan7 7、实践上经过增大、实践上经过增大WUMWUM信通的间距来降低信通的间距来降低XPMXPM8 8、12ps/(km.

12、nm)12ps/(km.nm)对对WDMWDM100GHz100GHz间距是够使脉冲各间距是够使脉冲各自走开由于其群速不同。自走开由于其群速不同。9 9、由于脉冲离散：、由于脉冲离散：pulse-walk-offpulse-walk-off，在规范的，在规范的SMFSMF中，中，XMPXMP可忽略可忽略1010、在色散位移光纤中，脉冲并不、在色散位移光纤中，脉冲并不“各自走开，对称率各自走开，对称率超越超越10Gb/s10Gb/s的光纤，在的光纤，在0 0色散波优点，色散波优点，XMPXMP变得突出。变得突出。1-19Copyright Wang Yan六、六、Raman ScateringA

13、 A、由分子振动，固体中的光学声子等元激发与激发光相、由分子振动，固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非线性散色互作用产生的非线性散色B B、由液体或固体的声学声子产生的、由液体或固体的声学声子产生的 RamanRaman： 频移量在光学范围属光学范频移量在光学范围属光学范畴畴 频移量在声频范围属声学分支频移量在声频范围属声学分支sLRPS 1-20Copyright Wang Yan光强：通常说光的强度光强，是指单位面积光强：通常说光的强度光强，是指单位面积上的平均光功率或者光的平均能流密度。作为上的平均光功率或者光的平均能流密度。作为电磁波这应由电磁波这应由poynting ve

14、ctorpoynting vector 确定，确定，因电磁波中且。因电磁波中且。poynting vectorpoynting vector的瞬时值为：的瞬时值为：在光频波段一切磁化机制都不起作用在光频波段一切磁化机制都不起作用光学折射率：光学折射率：SEHEH00rrEH 020rrEHErrrn 22000nSn EEc11-21Copyright Wang Yan对简谐振动平均值：对简谐振动平均值：故光强为：故光强为：七、四波混频七、四波混频Four-wave Mixing-FWM 假定信号假定信号22012EE2222000000 00011122nISEEnEn c Ezc 1-22

15、Copyright Wang Yan 非线性极化非线性极化10k3412kkkk相位匹配条件：1-23Copyright Wang Yan在色散时在中特别是当信道间隔很小的时候，在色散时在中特别是当信道间隔很小的时候，能够有相当大的信道功率，经过四波混频过程转换到能够有相当大的信道功率，经过四波混频过程转换到新的光场中去，这一转换一方面直接导致信道功率损新的光场中去，这一转换一方面直接导致信道功率损耗，另一方面，还会产生串话引起信道间干扰。耗，另一方面，还会产生串话引起信道间干扰。Effects Effects of of FWMFWM、与和根本上不同、与和根本上不同、和对单一信道分光的啁啾、

16、和对单一信道分光的啁啾3 3、3 3个频率成分个频率成分 结合产生新的第四个结合产生新的第四个 4 4、只需、只需 重要其他没有实现位相匹配重要其他没有实现位相匹配 kji,kjikjiijk1-24Copyright Wang Yan 6、假定、假定 约比信号低约比信号低20dB7、这一程度的、这一程度的Cross-talk 是无法忍受的是无法忍受的8、实践上由于没有理想的相位匹配，、实践上由于没有理想的相位匹配，FWM成分成分的功率较低。的功率较低。 kjiijk2222)3(3LpppcAedLpppAencdPkjiijkijkkjiijkijkijkjijidijk, 6, 3,1m

17、wpppkjimAe50wmn/104.328mpkmLijk5 . 9.20 5 5、假定相位匹配、假定相位匹配FWMFWM产生的功率产生的功率1-25Copyright Wang Yan八、光孤子八、光孤子SolitonsSolitonsSolitonSoliton是在光纤的色散与非线性自相关调制两种效应的是在光纤的色散与非线性自相关调制两种效应的共同体，在一定条件下产生的一种物理景象，两种作共同体，在一定条件下产生的一种物理景象，两种作用相互补偿而使光脉冲外形在传输过程中不变及色散。用相互补偿而使光脉冲外形在传输过程中不变及色散。A A、色散、色散ddnncdkdvg1-26Copyri

18、ght Wang Yan1、Gaussian pulse 是是Gaussian Pulses Gaussian Pulses 的的横向分布横向分布 代表脉冲的色代表脉冲的色散散 光的快速振动在时域光的快速振动在时域是一个一个的相位稳定的脉冲组成是一个一个的相位稳定的脉冲组成),(0yxU)exp(2t)exp(tj1-27Copyright Wang Yan2、Fourier Transform ofGaussianPulses1-28Copyright Wang Yan G.P. G.P.可以看成是平面波的合成可以看成是平面波的合成1-29Copyright Wang Yan3 3、纵向波矢的频率色散、纵向波矢的频率色散中心频率中心频率普通纵向波矢是波长的函数，取：普通纵向波矢是波长的函数，取：T