光波导理论20126

1、8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月光纤偏振模色散光纤偏振模色散 一、表示方法一、表示方法 单模光纤中LP01有两个正交的偏振模式。可设电场强度方向分别为x轴、y轴。计为LP01x、 LP01y，传播常数分别为 x、 y。 由于光纤截面不是理想的圆、应力、外加电磁场等因素，造成 x y，即 x y 08.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月 )(21,)(21yxyxyxyxyxnnnnn

2、nB 亦亦可可 定义归一化双折射B0kByx 8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月 定义双折射拍长为LB LP01两个正交的偏振模式传输时产生2的相位差的长度。 22yxBL 一般，B值为105106。 B 105为高双折射光纤8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月 = 0 /2 = 2LB单模光纤光偏振态变化-周期变化8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年

3、2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月 LP01x、 LP01y在光纤中传输单位距离的群延时分别为 ddddyyxx , LP01x、 LP01y在光纤中传输的群延时差或脉冲展宽为 ddddyxp )(LB越长，双折射越弱；越短，双折射越强。8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月利用0kByx ddBCCBdCBddBddBddBkdp )()2()2()(0C为真空中光速。一般，第二项 0208.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 200

4、8年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月SPM特点：特点：光场相位在时域的形状与光强度形状相同光场相位在时域的形状与光强度形状相同NLeffNLLLTPTL, 0,SPM导致频率啁啾导致频率啁啾,正比于光强对时间的微分正比于光强对时间的微分,啁啾为负啁啾啁啾为负啁啾(前沿红移前沿红移,后沿蓝移后沿蓝移)dttPdLLNLeffspm, 0频率啁啾将导致脉冲谱宽增加频率啁啾将导致脉冲谱宽增加比特率增加，比特率增加，SPM诱导的频率啁啾增大诱导的频率啁啾增大如果没有光纤色散，如果没有光纤色散，SPM仅导致光脉冲相位变化，在传播过仅导致光脉冲相位变化，在传播过

5、程中不能转化为光强度畸变程中不能转化为光强度畸变zeTATzATzP22, 0,8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月色散与色散与SPM共同作用下脉冲的传输共同作用下脉冲的传输正常色散区，色散和正常色散区，色散和SPM均产生上啁啾，均产生上啁啾， SPM加剧脉加剧脉冲展宽速度冲展宽速度反常色散区，反常色散区，SPM在脉冲中心区域产生出正的线性啁啾，在脉冲中心区域产生出正的线性啁啾，反常色散在整个脉冲上产生负的线性啁啾，二者具有相互反常色散在整个脉冲上产生负的线性啁啾，二者具有相互抵消的效果，

6、抵消的效果，缓减脉冲展宽速度缓减脉冲展宽速度(但但SPM将导致脉冲畸变将导致脉冲畸变)在适当条件下，在适当条件下，二者的效应达到精确平衡时，实现光脉冲二者的效应达到精确平衡时，实现光脉冲在光纤中的无畸变传输光孤子在光纤中的无畸变传输光孤子色散将使色散将使SPM诱导的相位调制转化为强度畸变诱导的相位调制转化为强度畸变减小减小SPM影响的主要措施：影响的主要措施：限制光功率限制光功率使用小色散光纤使用小色散光纤色散管理色散管理应用：脉冲自频移、自陡峭、脉冲压缩应用：脉冲自频移、自陡峭、脉冲压缩8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与

7、技术 20122012年年3 3月月XPM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的非线性相移考虑频率为考虑频率为 1和和 2两个光信号共同传输的情况，耦合非线性两个光信号共同传输的情况，耦合非线性薛定谔方程为：薛定谔方程为：交叉（互）相位调制交叉（互）相位调制(XPM)22122222222221221222111212211111222222AAAjAtAjtAzAAAAjAtAjtAzA求解上述方程组，可得求解上述方程组，可得 1的非线性相位为：的非线性相位为：第一项为第一项为SPM，第二项即是，第二项即是XPM21

8、2012PPALnkeffeff8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月可见，可见， 2对折射率的调制，造成对折射率的调制，造成 1的相位调制，的相位调制，XPM导致的频率调制为：导致的频率调制为：dtdPALnkeffeffxpm220, 12若若E1=E2 则则XPM的效果将是的效果将是SPM的两倍。因此的两倍。因此XPM将加剧将加剧WDM系统中系统中SPM的啁啾及相应的脉冲展宽效应。的啁啾及相应的脉冲展宽效应。8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月

9、光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月色散对色散对XPM的影响的影响只有不同的波长信道的脉冲在时间上有交叠时，相互之间才存在XPM效应，由于色散的存在，具有不同中心波长的两个脉冲传输速度不同，形成走离现象，因此色散对XPM有影响。)(212012110TTLw脉冲宽度12光纤色散脉冲的中心频率走离长度：走离长度：8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月减小影响的主要方法：减小影响的主要方法：增大信道间隔增大信道间隔减低信号功率减低信号功率加大光纤色散加大光纤色散色散管

10、理技术色散管理技术XPM与信道间隔有关：大的信道间隔，加快了信道间与信道间隔有关：大的信道间隔，加快了信道间的走离，有助于减小的走离，有助于减小XPMXPM与色散有关：大的光纤色散，加快了信道间的走与色散有关：大的光纤色散，加快了信道间的走离，有助于减小离，有助于减小XPM此外：此外：在在WDM系统中，某信道的系统中，某信道的XPM是其它信道共同作用的是其它信道共同作用的结果结果XPM导致信道间的串扰，导致信道间的串扰， XPM与信道数有关与信道数有关由于各信道之间偏振态的随机性，由于各信道之间偏振态的随机性，XPM又呈现出复杂的统又呈现出复杂的统计特性计特性XPM是是IM-DD光纤通信系统最

11、主要限制因素光纤通信系统最主要限制因素应用：应用：光光-光相位调制（超高速），光相位调制（超高速），基于此机理的光信号处理技术。基于此机理的光信号处理技术。8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月FWM是当多个波长信号在光纤中共同传输时，由于是当多个波长信号在光纤中共同传输时，由于 (3)的作的作用，产生新的频率成分的非线性效应。这些新生的频率分量用，产生新的频率成分的非线性效应。这些新生的频率分量能对系统性能造成影响的主要是：能对系统性能造成影响的主要是：kjiijk对于等间隔的对于等间隔的

12、WDM系统，这些频率系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰间的串扰(同频串扰同频串扰)，严重影响系统，严重影响系统的性能。的性能。 1 2 3在在n信道的信道的WDM系统中，可能的组合有系统中，可能的组合有2/12nn种种四波混频四波混频(FWM)8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月ijkkjiLLijkeffkjieffijkijkijkijkeLeLPPPcAdnP2222222212sin413dijk-FWM简并因子，简并因子，2,1

13、,djidjiFWM产生的频率为产生的频率为 ijk的功率为：的功率为：相位匹配因子相位匹配因子8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月特点：特点：小的色散光纤，相位匹配易于满足，小的色散光纤，相位匹配易于满足，FWM越加严重，故应越加严重，故应在色散与在色散与FWM之间取折衷之间取折衷减小影响：增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、减小影响：增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、 减小光功率、减小光功率、 相邻信道正交偏振相邻信道正交偏振应用：波长变换、光学混频等应用：波长变换、光学

14、混频等8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月受激非弹性散射受激非弹性散射受激拉曼散射受激拉曼散射受激布里渊散射受激布里渊散射8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月受激非弹性散射受激非弹性散射8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月2、功率阈值、功率阈值3 . 5 . 2121Bsource

15、effBeffthffLgbAP压力波压力波纤芯折射率变化纤芯折射率变化音频声子音频声子入射光波入射光波散射入射光波产生斯托克斯散射光散射入射光波产生斯托克斯散射光电致伸缩电致伸缩1、机理、机理mWPWcmgMHzfbMHzfmAkmLthBBsourceeffeff55. 4/104,20, 1,50,50,20928.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月3、增益谱、增益谱8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 2012

16、2012年年3 3月月-505101520-16-14-12-10-8-6-4-202468 G.655 CW G.655 2.5Gb/s indrect modulation G.655 10Gb/s external modulation G.652 CW G.652 2.5Gb/s indrect modulationoutput power(dBm)input power(dBm)应用：窄带光放大、窄线宽激光、分布式光纤应力传感、慢应用：窄带光放大、窄线宽激光、分布式光纤应力传感、慢光光8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导

17、理论与技术 20122012年年3 3月月1、功率阈值、功率阈值effReffthLgbAP16gR-喇曼增益喇曼增益对于对于mWPWcmgbmAkmLthReffeff560,/1071,50,201122、SRS增益谱增益谱8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月mWLBPeffWDMtotal400008.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月ffTransmission FiberSRS

18、诱导的波长相关损耗和通道间串扰诱导的波长相关损耗和通道间串扰8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月4、减小、减小SRS对系统影响的主要措施对系统影响的主要措施减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）减小信道间隔减小信道间隔5、利用：喇曼光纤放大器、利用：喇曼光纤放大器SRS对传输系统的限制对传输系统的限制应用：分布式光纤放大（喇曼光纤放大）、分布式光纤温度传感应用：分布式光纤放大（喇曼光纤放大）、分布式光纤温度传感8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 200

19、8年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月FRA原理简介：原理简介：物理机制：物理机制：A.A.光纤拉曼散射效应（光纤拉曼散射效应（SRS)SRS)一个入射光子（一个入射光子（pump)pump)的湮的湮灭，产生一个下移灭，产生一个下移stokesstokes频率的光子和另一个具有频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学光相当能量和动量的光学光子子B.B.与pumppump光子相差光子相差stokesstokes频率的信号光子，经受受频率的信号光子，经受受激散射过程，被放大激散射过程，被放大光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器原理简介原理简介8.3 8.3 光纤

20、偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月拉曼增益特性：取决于光学拉曼增益特性：取决于光学声子的振动能带声子的振动能带峰值增益频移：峰值增益频移：13.2THz13.2THz反向泵浦为主，也可同向泵反向泵浦为主，也可同向泵浦浦支撑技术支撑技术: 14nm的大功率的大功率泵浦激光器，目前以取得实用泵浦激光器，目前以取得实用化化光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器原理简介原理简介8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月FRAF

21、RA以传输光纤作为放大介质以传输光纤作为放大介质分布式放大分布式放大，从而实现一种“无损耗”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器超低噪声放大超低噪声放大原理原理8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月机制：拉曼增益与泵浦波长相关机制：拉曼增益与泵浦波长相关方法：多波长泵浦方法：多波长泵浦增益：各个泵浦波长拉曼增益谱增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以的加权和（以dBdB为单位）为单位）光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器宽带放大原理宽带放大原理8.3 8.3 光纤偏振

22、模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月WDMPumpMux.WDMPumplasers管理管理通道通道控制控制L-bandDCML-bandEDFAC-bandDCMC-bandEDFADEMUXMUXFRA+EDFA+DCFFRA+EDFA+DCF混合集成的一体化部件混合集成的一体化部件8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月 通道内互相位调制（通道内互相位调制（IXPM） 通道内四波混频（通道内四波混频（IFW

23、M）8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月在超高速（在超高速（40Gb/S以上）或积累色散很大的传输系以上）或积累色散很大的传输系统中，色散导致光脉冲展宽造成相邻脉冲交叠，进统中，色散导致光脉冲展宽造成相邻脉冲交叠，进而引起通道自身的相邻脉冲间的非线性作用，称之而引起通道自身的相邻脉冲间的非线性作用，称之为通道内非线性效应（包括为通道内非线性效应（包括IXPM,IFWM）。）。相对应，在多通道系统中，不同波长信道间的非线相对应，在多通道系统中，不同波长信道间的非线性作用称为通道间的非线性效应

24、（性作用称为通道间的非线性效应（FWM, XPM）IXPM导致时间抖动导致时间抖动IFWM导致幅度抖动和导致幅度抖动和ghost 脉冲脉冲8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月IFWM导致导致Ghost 脉冲和脉冲和幅度抖动幅度抖动IXPM-诱导脉冲频移诱导脉冲频移-timing jitter通道内非线性效应（通道内非线性效应（ IXPM,IFWM）8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月通

25、道内非线性效应与局部色散的关系通道内非线性效应与局部色散的关系IXPM随着局部色散的增大而减小，随着局部色散的增大而减小，而而IFWM增呈现为增大趋势增呈现为增大趋势通道内非线性效应（通道内非线性效应（ IXPM,IFWM）8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月Basic Nonlinear InteractionSingle ChannelSingle channel self-phase modulationModulation instability（MI）Self-phase mod

26、ulation（SPM)(Solitons)Nonlinear intersymbol interferencePulse DistortionIntrachannel Cross-phase modulation (IXPM)Intrachannel Four-wave mixing (IFWM)Timing jitterAmplitude JitterMultiple channels (WDM)Four-wave mixing (FWM)Coherent cross-talkCross-phase modulation (XPM)Timing jitter & Pulse distort

27、ion10Gb/s and above10Gb/s and below8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月控制色散积累，使相邻脉冲无交叠，即最大脉宽1/B，小的脉冲峰值功率，较小的非线性作用-伪线性传输，CRZ传输类孤子传输类孤子传输伪线性传输伪线性传输LD：色散长度（脉冲展宽色散长度（脉冲展宽 倍倍时的光纤长度）：时的光纤长度）：DcTTLFWHMD222202ln22212011DLzTT无啁啾高斯脉冲色散展宽：无啁啾高斯脉冲色散展宽：8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 20

28、08 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月减小非线性效应造成的系统损伤减小非线性效应造成的系统损伤D距离信号幅度ASE噪声)(,dBinsP非线性8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月 周期分段补偿周期分段补偿 正的（反常）平均色散欠补偿正的（反常）平均色散欠补偿 足够大的局部色散足够大的局部色散 预补偿预补偿8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3

29、 3月月 如果没有非线性，色散补偿完全可以只在接收端实施，如果没有非线性，色散补偿完全可以只在接收端实施，与补偿位置无关与补偿位置无关 通道内非线性（通道内非线性（IXPM,IFWM)的存在，允许的脉冲展的存在，允许的脉冲展宽程度被限制宽程度被限制 也即，限制了系统允许的最大色散积累也即，限制了系统允许的最大色散积累 控制色散积累的措施：控制色散积累的措施：周期性分段补偿周期性分段补偿集中补偿L色散积累分段补偿LLmL1L2Lm：色散map周期色散管理技术色散管理技术8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012

30、年年3 3月月 SPM效应将诱导上啁啾（效应将诱导上啁啾（C0),在正常色散区在正常色散区（ 20）将加剧脉冲展宽）将加剧脉冲展宽 为此，保持正的平均色散（反常色散）避免为此，保持正的平均色散（反常色散）避免该问题该问题 通常又称之为通常又称之为欠补偿欠补偿L平均色散平均色散色散管理技术色散管理技术8.3 8.3 光纤偏振模色散光纤偏振模色散 2008 2008年年2 2月月光波导理论与技术光波导理论与技术 20122012年年3 3月月Post-compensationCumulateddispersionPre-compensationIn-line compensationTxRxOpticalpowerPulseswidth 预补偿使得：预补偿使得：平均光功率最大处（平均光功率最大处（EDFA输出）脉冲最宽（积累色散最大输出）脉冲最宽（积累色散最大），峰值功率最低），峰值功率最低色散管理技术色散管理技