光纤光学讲义三课件

1、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，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。反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。 导致新的学科分支非线性光纤光学。1. 有效长度Leff：当L很大时， 非线性对信号的影响完全随距离增加而增加。但是，由于光纤损耗而带来信号功率连续下降，需要对上述说法进行修正。实际上，可以采用一个简单而足够精确的模型来假定功率在一段光纤长度内为常数。LLeffP(0)实际传输距离引入两个参量引入两个参量2. 有效面积Aeff:模场分布为高斯分布时,Aeff=W2Ae

2、ff非线性效应随光纤中光强的增大而增大。对于一个给定的光纤，光强反比于光纤纤芯的横截面积。由于光功率在光纤纤芯内不是均匀分布的，为简单起见，采用有效面积Aeff表示。 光纤中的非线性效应可分为两类:一、受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。包括： 受激布里渊散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)二、非线性折射率：光纤折射率与光强的相关性产生的效应。包括：自相位调制(SPM)、互相位调制(XPM)和四波混频(FWM)受激布里渊散射（SBS）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。折射率的波动散射光，称作SB

3、S。SBS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、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。受激拉曼散射（SRS）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。finfout 为拉曼散射光光学声子 ffin = fout + 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在光纤中自发拉曼散射始终存在，但其转换效率很低（106），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）。finfout 为拉曼散射光光学声子

4、 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。fsignal = fout SRS对系统的影响和克服增益带宽宽，影响其它信道WDM系统中，造成高频信道功耗最大。1 2 3 41 2 3 4fiber降低入纤功率；减小信道间隔SRS光纤放大器2、SPM的特点（影响）SPM随光强、时间变化相移瞬时变化脉冲频谱展宽脉冲中心两侧出现不同的瞬时光频率频率啁啾2、SPM的特点（影响）SPM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。在一定条件下，可使色散效应与SPM效应互相抵消，实现脉冲无畸变传输孤子 色散与非线性自相位调制共同作用无损光纤中的光孤子传输图

5、 8图 9四、交叉相位（XPM）机理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的非线性相移。某一光信道的强度变化能造成其它信道的折射率的改变，从而调制了这些信道中信号的相位。 减小影响的主要方法：增大信道间隔减低信号功率相邻信道正交偏振五、四波混频（FWM）机理： 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。非线性效应小结光纤非线性效应优缺点优点缺点制作光纤放大器、传感器等限制在光纤中传输的光功率利用非线性效应处理光信号增加系统中的噪声信号光波窄化形成光孤子(soliton)在光纤系统中引发信道间串扰光纤非线性效应-单信道与多信道单信道多信

6、道受激散射效应受激布里渊散射(SBS)受激拉曼散射(SRS)非线性折射率效应自相位调制( SPM)互相位调制四波混频17ps/nm.kmEDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减 (dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm) 20 10 0-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655单模光纤的发展与演变总结（2）高非线性光纤典型光纤激光器的结构图横向 (轴向) 误差角度误差纵向误差多模光纤中各种误差带来的损耗对于高斯分布的光束，相同光纤间的横向连接损耗为：对于角度对准误差引起的损耗与波长有关：单模光纤的连接其中W为模场半径，

7、G = s/kW2。对于纵向偏差为s，间隙折射率为n3的连接损耗为：一根单模光纤的归一化频率V2.40，纤芯折射率n11.47，n21.465，纤芯尺寸2a9m，当横向偏移d1 m时相同光纤间的横向连接损耗为：当波长为1300nm时，角度对准误差为1时引起的损耗为：单模光纤的连接当纵向偏差s1 m 时的连接损耗为：藤仓50S单芯光纤熔接机 藤仓40S单芯光纤熔接机 住友TYPE-37光纤熔接机 光纤切割刀光纤熔接机Fusion Splicing套管结构多用于光纤终端盒或光纤配线架上，在实际工程中用在光纤终端盒最常见。优点：牢靠、防灰尘，便于后期维护缺点：初期安装比其他类型麻烦多应用在光纤收发器

8、、千兆位接口转换器光纤模块中。优点：便于安装缺点：易脱落多应用在光纤终端盒或光纤配线架上。优点：便于安装。缺点：易于折断。多应用在mini千兆位接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，回波损耗高。缺点：易于脱落。开口型套筒截面图FC/PC光纤连接器SC/PC光纤适配器 ST/PC光纤适配器 SC-F转接适配器 SC水平双联适配器 耦合器应用举例2 耦合器耦合器的端口形式2 耦合器熔锥型光纤耦合器的结构2 耦合器A1、A2两根光纤的模场振幅；1、2两根光纤孤立状态的传播常数；Cij耦合系数耦合器输出端功率与耦合区长度的关系曲线2 耦合器耦合器作波分复用器2 耦合器耦合器的制作过程2 耦合器熔融拉锥系统2 耦合器2 耦合器2 耦合器2 耦合器耦合器性能