光纤通信第六章1 概述与非线性课件

第6.1讲

WDM长距离传输的限制因素极其抑制技术

一、概况二、非线性光学效应及其对光纤通信的影响三、色散的积累与补偿

2022/11/101光纤通信系统-顾畹仪第6.1讲

WDM长距离传输的限制因素极其抑制技术

一、概EDFA的ASE噪声的积累和OSNR的下降群速度色散高阶色散导致信号眼图劣化各种非线性光学效应的影响PMD的影响ASE噪声的积累XPM对信号质量的影响长距离传输中的限制因素2022/11/102光纤通信系统EDFA的ASE噪声的积累ASE噪声的积累XPM对信号质量支撑超长距离传输的新技术

非线性效应抑制技术色散和偏振模色散补偿技术低噪声放大技术新型调制格式前向纠错编码（FEC）2022/11/103光纤通信系统支撑超长距离传输的新技术

非线性效应抑制技术2022/11/

二、非线性光学效应及其对光纤通信的影响

1、非线性光学效应

2、受激光散射

3、折射率调制2022/11/104光纤通信系统

二、非线性光学效应及其对光纤通信的影响

1、非线性光1、非线性光学效应非线性极化弱光场时，光纤是线性煤质满足线性叠加原理，光频率不发生转换强光场时，光纤发生非线性极化+C.C2022/11/105光纤通信系统1、非线性光学效应非线性极化+C.C2022/11/95光纤线性极化项二阶非线性极化项三阶非线性极化项将二阶和三阶非线性极化项展开，可以看到各阶非线性效应。原子内部的库仑场2022/11/106光纤通信系统线性极二阶非线三阶非线将二阶和三阶非线性极化项展开

2）非线性光学效应二阶非线性极化项产生各入射基波分量的二次谐波（倍频波）、和频波、差频波以及一个直流电场，相应的效应分别为倍频、和频、差频以及光整流效应。普科尔（Pocket）效应也与二阶非线性极化项有关。光纤通常不显示二阶非线性效应。三阶非线性极化项导致克尔（Kerr）效应、双光子吸收、光波的自作用（自聚焦、自相位调制）以及受激散射（受激Raman散射和受激布里渊散射）等现象。这些也是影响光纤通信的主要的非线性光学效应。根据介质中原子终态与初态是否相同，非线性光学效应分为参量过程（非激活的）和非参量过程（激活的）。2022/11/107光纤通信系统2）非线性光学效应2022/11/97光纤通信系统3）Non-LinearEffectsinFiberStimulatedScatteringEffects受激光散射InteractionbetweenphotonsandphononsStimulatedRamanScattering(SRS)受激喇曼散射StimulatedBrillouinScattering(SBS)受激布里渊散射RefractiveIndexEffects非线性折射率调制Modulationofrefractiveindexbylightintensity

(nonlinearityofinducedpolarization:P=e0

c

E+e0

c(3)

E3

)SelfPhaseModulation(SPM)自相位调制CrossPhaseModulation(CPM）交叉相位调制Four-WaveMixing(FWM)四波混频2022/11/108光纤通信系统3）Non-LinearEffectsinFiberS2、受激散射效应1）受激喇曼散射(SRS)晶体中原子的振动形成晶体中的格波，格波的能量是量子化的，对频率为ν的格波，它的每份能量是hν，被称为一个声子。格波解分为两支，光学支声子和声学支声子，光学支声子参与的光散射是受激喇曼散射，声学支声子参与的光散射是受激布里渊散射。喇曼散射的基本过程：Stokes过程：，光波产生下频移反Stokes过程：

，光波产生上频移Stokes过程是主要的。喇曼增益谱宽2022/11/109光纤通信系统2、受激散射效应晶体中原子的振动形成晶体中的格波，格波的能2022/11/1010光纤通信系统2022/11/910光纤通信系统自发喇曼散射和受激喇曼散射gR≈7*10-12cm/W2022/11/1011光纤通信系统自发喇曼散射和受激喇曼散射gR≈7*10-12cm

受激Raman

散射对光纤通信的影响限制了光纤中传输的最大功率。对单信道系统，临界功率pc

是散射光功率变得与注入光相当时的注入功率。Pc2022/11/1012光纤通信系统受激Raman散射对光纤通信的影响pc是散射光功率变引起波分复用系统中的串扰.

K是与偏振有关的系数，

如果i和j偏振方向相同，K=1；若i

和j偏振方向完全扰乱，K=2。较短波长信道的功率向较长波长信道转移2022/11/1013光纤通信系统引起波分复用系统中的串扰.较短波长信道的功率向较长波长信道当两个信道都是“1”码时诱发出的喇曼散射最厉害，串扰最明显2022/11/1014光纤通信系统当两个信道都是“1”码时诱发出的喇曼散射最厉害，串扰最明显SBS的特点

后向散射为主；增益系数大，gB≈410-9cm/W；阈值低，阈值功率由式决定，对常规单模光纤，阈值功率约为4毫瓦；增益系数与泵浦激光器的谱线宽度有关频移小，仅有数十MHz。2）受激布里渊散射(SBS)2022/11/1015光纤通信系统SBS的特点2）受激布里渊散射(SBS)2022/13、折射率的非线性调制1)折射率与光强有关的现象是由引起的

2）自相位调制2022/11/1016光纤通信系统3、折射率的非线性调制1)折射率与光强有关的现象是由引起频率啁啾2022/11/1017光纤通信系统引起频率啁啾2022/11/917光纤通信系统发射功率为5mW,10Gb/s的信号,在G.655光纤传输传输40km

发射功率为50mW,10Gb/s的信号,在G.655光纤传输传输40km自相位调制的影响（OpticSimu平台仿真）2022/11/1018光纤通信系统发射功率为5mW,10Gb/s的信号,在G.655光纤传3)交叉相位调制（XPM）

（OpticSimu平台仿真）一路10毫瓦的信号三路10毫瓦的信号2022/11/1019光纤通信系统3)交叉相位调制（XPM）（Optic4)四波混频(FWM)特点:

折射率的非线性调制引起参量过程两种情况:三个光子合成一个光子

两个光子湮灭

四波混频发生的条件能量守恒动量守恒

(相位匹配)2022/11/1020光纤通信系统4)四波混频(FWM)特点:2022/11/920光纤通2022/11/1021光纤通信系统2022/11/921光纤通信系统5）非线性光学效应的抑制限制入纤功率在信号噪声比和信号非线性串扰比之间均衡考虑。如322.5Gb/s系统主光通道的总功率在17-20dBm。保留适当的色散色散是一种制约非线性光学效应的物理过程。非零色散位移光纤运应而生。加大光纤的有效面积

大有效面积NZDSF纯石英芯子单模光纤（有效面积达到110μm2

）2022/11/1022光纤通信系统5）非线性光学效应的抑制限制入纤功率2022/11/922光6)光孤子通信

当光强较低时，脉冲在时域展宽；主要表现出光纤的色散效应；

SPM引起的啁啾在一定条件下可以补偿群速度色散——光孤子通信；孤子现象是非线性薛定谔方程的解。U是归一化的光波电场强度的复幅度的包络，T是归一化时间，Z是归一化距离。“+”对应反常色散，“-”对应正常色散。2022/11/1023光纤通信系统6)光孤子通信当光强较低时，脉冲在时域展宽；主要表现出薛定谔方程的解

（1）设输入光脉冲为sech形，超短脉冲在反常色散光纤中传输，在较强的某一功率下，SPM效应正好抵消了群速度色散，结果导致在没有损耗的情况下，脉冲沿光纤传输时波形保持不变，这种孤子被称为基本光孤子。

2022/11/1024光纤通信系统薛定谔方程的解（1）设输入光脉冲为sech形，超短脉冲（2）当光强很高、SPM效应的影响大于群速度色散时，会发生复杂的演变过程，对应高阶光孤子的情况。输入光脉冲在传输过程中首先变窄，然后发生分裂，在特定的距离Z0上周期性地复原，Z0

称为孤子周期，仅与脉冲宽度有关。2022/11/1025光纤通信系统（2）当光强很高、SPM效应的影响大于群速度色散时，会发生复第6.1讲

WDM长距离传输的限制因素极其抑制技术

一、概况二、非线性光学效应及其对光纤通信的影响三、色散的积累与补偿

2022/11/1026光纤通信系统-顾畹仪第6.1讲

WDM长距离传输的限制因素极其抑制技术

一、概EDFA的ASE噪声的积累和OSNR的下降群速度色散高阶色散导致信号眼图劣化各种非线性光学效应的影响PMD的影响ASE噪声的积累XPM对信号质量的影响长距离传输中的限制因素2022/11/1027光纤通信系统EDFA的ASE噪声的积累ASE噪声的积累XPM对信号质量支撑超长距离传输的新技术

非线性效应抑制技术色散和偏振模色散补偿技术低噪声放大技术新型调制格式前向纠错编码（FEC）2022/11/1028光纤通信系统支撑超长距离传输的新技术

非线性效应抑制技术2022/11/

二、非线性光学效应及其对光纤通信的影响

1、非线性光学效应

2、受激光散射

3、折射率调制2022/11/1029光纤通信系统

二、非线性光学效应及其对光纤通信的影响

1、非线性光1、非线性光学效应非线性极化弱光场时，光纤是线性煤质满足线性叠加原理，光频率不发生转换强光场时，光纤发生非线性极化+C.C2022/11/1030光纤通信系统1、非线性光学效应非线性极化+C.C2022/11/95光纤线性极化项二阶非线性极化项三阶非线性极化项将二阶和三阶非线性极化项展开，可以看到各阶非线性效应。原子内部的库仑场2022/11/1031光纤通信系统线性极二阶非线三阶非线将二阶和三阶非线性极化项展开

2）非线性光学效应二阶非线性极化项产生各入射基波分量的二次谐波（倍频波）、和频波、差频波以及一个直流电场，相应的效应分别为倍频、和频、差频以及光整流效应。普科尔（Pocket）效应也与二阶非线性极化项有关。光纤通常不显示二阶非线性效应。三阶非线性极化项导致克尔（Kerr）效应、双光子吸收、光波的自作用（自聚焦、自相位调制）以及受激散射（受激Raman散射和受激布里渊散射）等现象。这些也是影响光纤通信的主要的非线性光学效应。根据介质中原子终态与初态是否相同，非线性光学效应分为参量过程（非激活的）和非参量过程（激活的）。2022/11/1032光纤通信系统2）非线性光学效应2022/11/97光纤通信系统3）Non-LinearEffectsinFiberStimulatedScatteringEffects受激光散射InteractionbetweenphotonsandphononsStimulatedRamanScattering(SRS)受激喇曼散射StimulatedBrillouinScattering(SBS)受激布里渊散射RefractiveIndexEffects非线性折射率调制Modulationofrefractiveindexbylightintensity

(nonlinearityofinducedpolarization:P=e0

c

E+e0

c(3)

E3

)SelfPhaseModulation(SPM)自相位调制CrossPhaseModulation(CPM）交叉相位调制Four-WaveMixing(FWM)四波混频2022/11/1033光纤通信系统3）Non-LinearEffectsinFiberS2、受激散射效应1）受激喇曼散射(SRS)晶体中原子的振动形成晶体中的格波，格波的能量是量子化的，对频率为ν的格波，它的每份能量是hν，被称为一个声子。格波解分为两支，光学支声子和声学支声子，光学支声子参与的光散射是受激喇曼散射，声学支声子参与的光散射是受激布里渊散射。喇曼散射的基本过程：Stokes过程：，光波产生下频移反Stokes过程：

，光波产生上频移Stokes过程是主要的。喇曼增益谱宽2022/11/1034光纤通信系统2、受激散射效应晶体中原子的振动形成晶体中的格波，格波的能2022/11/1035光纤通信系统2022/11/910光纤通信系统自发喇曼散射和受激喇曼散射gR≈7*10-12cm/W2022/11/1036光纤通信系统自发喇曼散射和受激喇曼散射gR≈7*10-12cm

受激Raman

散射对光纤通信的影响限制了光纤中传输的最大功率。对单信道系统，临界功率pc

是散射光功率变得与注入光相当时的注入功率。Pc2022/11/1037光纤通信系统受激Raman散射对光纤通信的影响pc是散射光功率变引起波分复用系统中的串扰.

K是与偏振有关的系数，

如果i和j偏振方向相同，K=1；若i

和j偏振方向完全扰乱，K=2。较短波长信道的功率向较长波长信道转移2022/11/1038光纤通信系统引起波分复用系统中的串扰.较短波长信道的功率向较长波长信道当两个信道都是“1”码时诱发出的喇曼散射最厉害，串扰最明显2022/11/1039光纤通信系统当两个信道都是“1”码时诱发出的喇曼散射最厉害，串扰最明显SBS的特点

后向散射为主；增益系数大，gB≈410-9cm/W；阈值低，阈值功率由式决定，对常规单模光纤，阈值功率约为4毫瓦；增益系数与泵浦激光器的谱线宽度有关频移小，仅有数十MHz。2）受激布里渊散射(SBS)2022/11/1040光纤通信系统SBS的特点2）受激布里渊散射(SBS)2022/13、折射率的非线性调制1)折射率与光强有关的现象是由引起的

2）自相位调制2022/11/1041光纤通信系统3、折射率的非线性调制1)折射率与光强有关的现象是由引起频率啁啾2022/11/1042光纤通信系统引起频率啁啾2022/11/917光纤通信系统发射功率为5mW,10Gb/s的信号,在G.655光纤传输传输40km

发射功率为50mW,10Gb/s的信号,在G.655光纤传输传输40km自相位调制的影响（OpticSimu平台仿真）2022/11/1043光纤通信系统发射功率为5mW,10Gb/s的信号,在G.655光纤传3)交叉相位调制（XPM）

（OpticSimu平台仿真）一路10毫瓦的信号三路10毫瓦的信号2022/11/1044光纤通信系统3)交叉相位调制（XPM）（Optic4)四波混频(FWM)特点:

折射率的非线性调制引起参量过程两种情况:三个光子合成一个光子

两个光子湮灭

四波混频发生的条件能量守恒动量守恒

(相位匹配)2022/11/1045光纤通信系统4)四波混频(FWM)特点:2022/11/920光纤通2022/