光纤光学讲义三

1、单模光纤中的非线性效应单模光纤中的非线性效应 尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。和对系统传输性能的限制。 反之，可以利用非线性现象产生有用的反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。效应。 导致新的学科分支导致新的学科分支非线性光纤非线性光纤光学。光学。1effL1LeffeL引入两个参量引入两个参量引入两个参量引入两个参

2、量 rreffrdrdrIrdrdrIA,22当信号光功率达到一定水平时，足以使光纤中产生微小的声子当信号光功率达到一定水平时，足以使光纤中产生微小的声子振动。声波改变了材料的密度，从而改变了材料的折射率。折振动。声波改变了材料的密度，从而改变了材料的折射率。折射率的波动散射光，称作射率的波动散射光，称作SBSSBS。SBSSBS可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子。可描述为泵浦光、斯托克斯波和声斯光子和一个声学声子。可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。波之间的参量互作用。背向散射光背向散射光放大器放大器

3、分布式传感分布式传感effBeffthLgAP:CW2121:1effsourcethBeffBAfPulsePg Lf入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。finfout 为拉曼散射光为拉曼散射光光学声子光学声子 ffin = fout + f ； 石英系光纤石英系光纤 f 13.2 THz 在在光光波频段波频段增益谱与泵浦波长相关增益谱与泵浦波长相关在光纤中自发拉曼散射始终存在，但其转换效率很低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

4、放大器的噪声系数较小。当光纤中的光功率密度达到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阈值后将发生转换效率很高的受激拉曼散射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（大部分输入光功率可以转移到信号光上）到信号光上）。finfout 为拉曼散射光为拉曼散射光光学声子光学声子 f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。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。fsignal = fout 熔石英中的拉曼增益熔石英中的拉曼增益16effthReffAPg LSRSSRS对系统的影响和克服对系统的影响和克服增益带宽宽，影响其它

5、信道增益带宽宽，影响其它信道WDMWDM系统中，造成高频信道系统中，造成高频信道功耗最大。功耗最大。降低入纤功率；减小信道间隔降低入纤功率；减小信道间隔SRS光纤放大器光纤放大器WDM Coupler14km DCF1.48/1.55 mOSAIsolatorIsolator1460nmPump LD1470nmPump LD1490nmPump LD1480nmPump LD1565 nm1570 nm1575 nm1580 nm1585 nm1590 nm1595 nmWDM Coupler14km DCF1.48/1.55 mOSAIsolatorIsolator1460nmPump L

6、D1470nmPump LD1490nmPump LD1480nmPump LD1565 nm1570 nm1575 nm1580 nm1585 nm1590 nm1595 nm222),(EnnEn1 1、机理、机理PUULeULzUiNLzD2222|2)sgn(222122AAAiiA Aztt22222AAiiA AzTztvztTg1,0zUePzAzTziTUTzUNL,exp, 0,022 2、SPMSPM的特点（影响）的特点（影响）SPMSPM随光强、时间变化随光强、时间变化相移瞬时变化相移瞬时变化脉冲频谱展宽脉冲频谱展宽脉冲中心两侧出现不同的瞬时光频率脉冲中心两侧出现不同的瞬

7、时光频率2 2、SPMSPM的特点（影响）的特点（影响）vSPMSPM与色散共同作用，在正常色散区，加剧脉与色散共同作用，在正常色散区，加剧脉冲展宽速度；在反常色散区减低脉冲展宽速度。冲展宽速度；在反常色散区减低脉冲展宽速度。v在一定条件下，可使色散效应与在一定条件下，可使色散效应与SPMSPM效应效应互相抵消，实现脉冲无畸变传输互相抵消，实现脉冲无畸变传输孤子孤子 图 8图 9机理机理XPMXPM是不同波长的光脉冲在光纤中共同是不同波长的光脉冲在光纤中共同传输时引起的一种光场的非线性相移。传输时引起的一种光场的非线性相移。某一光信道的强度变化能造成其它信道的某一光信道的强度变化能造成其它信道

8、的折射率的改变，从而调制了这些信道中信折射率的改变，从而调制了这些信道中信号的相位。号的相位。增大信道间隔增大信道间隔减低信号功率减低信号功率相邻信道正交偏振相邻信道正交偏振 机理：机理： 光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波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。长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。 四波混频是源于非线性折射率的参量过程，需要满足相位四波混频是源于非线性折射率的参量过程，需要满足相位匹配条件。匹配条件。从量子的观点看，一个或几个光子湮灭，同时从量子的观点看，一个或几个光子湮灭，同时产生几个不同频率的新光子，在参量过程中能

9、量和动量都产生几个不同频率的新光子，在参量过程中能量和动量都守恒，动量守恒即波矢量守恒，就是相位匹配条件。守恒，动量守恒即波矢量守恒，就是相位匹配条件。 四波混频大致分为两种情况，一种情况是四波混频大致分为两种情况，一种情况是三个光子合成一三个光子合成一个新光子，其频率为个新光子，其频率为 。当。当 时，时，对应三次谐波，当对应三次谐波，当 , , 时，对应频时，对应频率上转换，由于在光纤中难以满足相位匹配条件，实现有率上转换，由于在光纤中难以满足相位匹配条件，实现有一定困难。一定困难。41231231234132 另一种情况是另一种情况是频率为频率为 , , 的光子湮灭，产生频率为的光子湮灭

10、，产生频率为 , , 的新光子。能量守恒的新光子。能量守恒 ，动量守恒，动量守恒 ，在光纤满足的条件相对容易些。，在光纤满足的条件相对容易些。1234123434210kk +kkk ?非线性效应小结非线性效应小结v 光纤非线性效应优缺点光纤非线性效应优缺点优点优点缺点缺点制作光纤放大器、传感制作光纤放大器、传感器等器等限制在限制在光纤光纤中中传输的传输的光功率光功率利用非线性效应处理光利用非线性效应处理光信号信号增加系统中的噪声信号增加系统中的噪声信号光波窄化形成光波窄化形成光孤子光孤子(soliton)在在光纤系统中引发信道光纤系统中引发信道间串扰间串扰光纤非线性效应光纤非线性效应- -单

11、信道与多信道单信道与多信道单信道单信道多多信信道道受激散射效应受激散射效应受激布里渊受激布里渊散射散射(SBS)受激拉曼受激拉曼散射散射(SRS)非线性折射率非线性折射率效应效应自相位自相位调制调制( SPM)互相位互相位调制调制四波四波混频混频单模光纤的发展与演变总结（单模光纤的发展与演变总结（1 1）0.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.65317ps/nm.kmG.652非线性大非线性大色散非常小色散非常小1550nm1550nm窗口窗口不同信道的不同信道的WDMWDM信号传输速度相近信号传输速度相近四

12、波混频四波混频FWMFWM严重严重17ps/nm.km0.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.653G.652单模光纤的发展与演变总结（单模光纤的发展与演变总结（2 2）高非线性光纤高非线性光纤典型光纤激光器的结构图典型光纤激光器的结构图横向横向 (轴向轴向) 误差误差角度误差角度误差纵向误差纵向误差多模光纤中各种误差带来的损耗多模光纤中各种误差带来的损耗2;explog10WdLlatSM22;explog10WnLangSM对于高斯分布的光束，相同光纤间的横向连接损耗为：对于高斯分布的光束，相同光纤间的横向

13、连接损耗为：对于角度对准误差引起的损耗与波长有关：对于角度对准误差引起的损耗与波长有关：单模光纤的连接单模光纤的连接其中其中W为模场半径，为模场半径，G = s/kW2。对于纵向偏差为对于纵向偏差为s，间隙折射率为，间隙折射率为n3的连接损耗为：的连接损耗为： )4(64log1024312321; GnnnnLgapSM;0.18SM latLdB;0.41SM angLdB一根单模光纤的归一化频率一根单模光纤的归一化频率V2.40，纤芯折射率，纤芯折射率n11.47，n21.465，纤芯尺寸，纤芯尺寸2a9 m，当横向偏移，当横向偏移d1 m时时相同光相同光纤间的横向连接损耗为：纤间的横向

14、连接损耗为：当波长为当波长为1300nm时，角度对准误差为时，角度对准误差为1时引起的损耗为：时引起的损耗为：单模光纤的连接单模光纤的连接当纵向偏差当纵向偏差s1 m 时的连接损耗为：时的连接损耗为：;0.329SM gapLdB藤仓藤仓50S单芯光纤熔接机单芯光纤熔接机 藤仓藤仓40S单芯光纤熔接机单芯光纤熔接机 住友住友TYPE-37光纤熔接机光纤熔接机 光纤切割刀光纤切割刀光纤熔接机光纤熔接机套管结构套管结构多用于光纤终端盒或光纤多用于光纤终端盒或光纤配线架上，在实际工程中配线架上，在实际工程中用在光纤终端盒最常见。用在光纤终端盒最常见。优点：牢靠、防灰尘，便于后期维护优点：牢靠、防灰尘

15、，便于后期维护缺点：初期安装比其他类型麻烦缺点：初期安装比其他类型麻烦多应用在光纤收发器、千兆多应用在光纤收发器、千兆位接口转换器光纤模块中。位接口转换器光纤模块中。优点：便于安装优点：便于安装缺点：易脱落缺点：易脱落多应用在光纤终端盒或多应用在光纤终端盒或光纤配线架上。光纤配线架上。优点：便于安装。优点：便于安装。缺点：易于折断。缺点：易于折断。多应用在多应用在mini千兆位接千兆位接口转换器光纤模块中。口转换器光纤模块中。优点：便于安装，体积小，尺寸精度高，插入损耗小，优点：便于安装，体积小，尺寸精度高，插入损耗小，回波损耗高。回波损耗高。缺点：易于脱落。缺点：易于脱落。开口型套筒截面图开

16、口型套筒截面图FC/PCFC/PC光纤连接器光纤连接器SC/PCSC/PC光纤适配器光纤适配器 ST/PCST/PC光纤适配器光纤适配器 SC-FSC-F转接适配器转接适配器 SCSC水平双联适配器水平双联适配器 耦合器应用举例耦合器应用举例本地分配器发射端波长选择耦合器128128,. 输入2 耦合器耦合器耦合器的端口形式耦合器的端口形式2 耦合器耦合器熔锥型光纤耦合器的结构熔锥型光纤耦合器的结构2 耦合器耦合器 11111122dA ziCAiC Adz 22222211dAziCAiC AdzA1、A2两根光纤的模场振幅；两根光纤的模场振幅； 1、 2两根光纤孤立状态的传播常数；两根光纤孤立状态的传播常数；Cij耦合系数耦合系数耦合器输出端功率与耦合区长度的关系曲线耦合器输出端功率与耦合区长度的关系曲线2 耦合器耦合器耦合器作波分复用器耦合器作波分复用器2 耦合器耦合器耦合器的制作过程耦合器的制作过程2 耦合器耦合器熔融拉锥系统熔融拉锥系统2 耦合器耦合器2 耦合器耦合器2 耦合器耦合器2 耦合器耦合器