自相位调制
光纤的非线性效应
• At very high power it is possible for all of the signal power to be transferred to the Stokes Wave.
• 增加信道间隔，增加信道之间的群速度不匹配。但缺点 是增加了总的系统带宽，从而要求放大器在较宽的带宽 范围内有平坦的增益谱，另外还增加了SRS引起的代价。
• 增加光纤的有效截面，降低光纤中光功率密度。 • 对于DSF使用大于1560nm的波长。这种方法的思路是：
即使对于DSF，这一范围内也存在显著的色散量，从而 可以减小FWM的效率。这依赖于L-band的EDFA。
穿插相位调制(XPM)
• 穿插相位调制〔XPM〕的产生是由于外信道光 功率引起的折射率非线性变化，导致相位变化
• 相位正比于 (E122E2E1)z，其中第一项来源于SPM， 第二项即穿插相位调制(XPM)。
• 假设E1=E2 那么XPM的效果将是SPM的两倍。 因此XPM将加剧WDM系统中SPM的啁啾及相应 的脉冲展宽效应。
• In remote pumping of an erbium doped fibre amplifier (EDFA) through a separate fibre. EDFA pumps typically put out about four lines of around only 80 MHz wide. Each of these lines is limited by SBS in the amount of power
自相位调制
很多光材料的折射率n跟光强I相关，具体计算公式 为： P
n n0 n2 I n0 n2 Aeff
其中，n0是材料的常态折射率，n2是非线性折射率系数， 在二氧化硅中，n2的值大约为2.6*10-8um2/W,在氟化 物玻璃中，n2的变化范围在1.2*10-6um2/W到5.1*106um2/W之间，在As Se 硫属化合物中，n2的值为 40 60 2.4*10-5um2/W，这种折射率为传输信号光强所调制 的非线性现象称为克尔效应。在单波长链路中，这种非 线性会引起传输过程中与载波强度相关的相位调制 （SPM），SPM会使光波的功率波动转化成相位波动。
在折射率与光强相关的媒质中， 时变的信号强度将产生时变的 折射率，因此，脉冲顶端的折 射率与脉冲后沿的折射率有微 小的不同。 时变的折射率产生了时变的相位 和频率，其结果是脉冲上各点的 频率与初始值v0不同，脉冲不同 部分所经历的相移也不同，这就 导致了频率啁啾，脉冲上升沿频 率红移（低频），向下降沿的频 率发生蓝移（高频）。
度量SPM效应强弱的主要参数是γ ，具体公式为
2 n2 Aeff
式中λ，Aeff
Γ在二氧化硅的值介于1W-1km-1至5W-1km-1之间，这个值取决于 光纤型号和信号光波长。 由于SPM效应产生的频移△φ 可用下式表 示
Байду номын сангаас
d dP Leff dt dt
根据上式，信号功率的瞬时变化将会导致信号频率变化
THANK YOU ！！
对于某些光纤，时变的相位会导致一定的功 率代价，这是由于脉冲沿光纤传播时，GVD致脉 冲展宽所引起的，在正常色散区，色度色散为负 且群时延随波长降低，意味着红光比蓝光的波长 更长，红光传播快，在这种情况下，啁啾加剧了 GVD导致脉冲展宽效应。而在反常色散区，色散 为正，群时延随波长增加，红移的脉冲前沿传播 较慢，它向脉冲中心方向移动，蓝衣后延传播较 快，向脉冲中心方向移动，SPM导致脉冲变窄， 部分补偿了色度色散。
自相位调制
在折射率与光强相关的媒质中， 时变的信号强度将产生时变的 折射率，因此，脉冲顶端的折 射率与脉冲后沿的折射率有微 小的不同。
时变的折射率产生了时变的相位 和频率，其结果是脉冲上各点的 频率与初始值v0不同，脉冲不同 部分所经历的相移也不同，这就 导致了频率啁啾，脉冲上升沿频 率红移（低频），向下降沿的频 率发生蓝移（高频）。
对于某些光纤，时变的相位会导致一定的功 率代价，这是由于脉冲沿光纤传播时，GVD致脉 冲展宽所引起的，在正常色散区，色度色散为负 且群时延随波长降低，意味着红光比蓝光的波长 更长，红光传播快，在这种情况下，啁啾加剧了 GVD导致脉冲展宽效应。而在反常色散区，色散 为正，群时延随波长增加，红移的脉冲前沿传播 较慢，它向脉冲中心方向移动，蓝衣后延传播较 快，向脉冲中心方向移动，SPM导致脉冲变窄， 部分补偿了色度色散。
由于spm效应产生的频移可用下式表dtdp根据上式信号功率的瞬时变化将会导致信号频率变化在折射率不光强相关的媒质中时变的信号强度将产生时变的折射率因此脉冲顶端的折射率不脉冲后沿的折射率有微时变的折射率产生了时变的相位和频率其结果是脉冲上各点的频率不初始值v0丌同脉冲丌同部分所经历的相移也丌同这就导致了频率啁啾脉冲上升沿频率红移低频向下降沿的频率发生蓝移高频
度量SPM效应强弱的主要参数是γ，具体公式为
2 n2 Aeff
式中λ，Aeff
Γ在二氧化硅的值介于1W-1km-1至5W-1km-1之间，这个值取决于 光纤型号和信号光波长。
由于SPM效应产生的频移△φ 可用下式表
示
ddtLeffddPt
很多光材料的折射率n跟光强I相关，具体计算公式
为：
nn0n2I
n0n2
P Aeff
其中，n0是材料的常态折射率，n2是非线性折射率系数， 在二氧化硅中，n2的值大约为2.6*10-8um2/W,在氟化 物玻璃中，n2的变化范围在1.2*10-6um2/W到5.1*106um2/W之间，在As40Se60硫属化合物中，n2的值为 2.4*10-5um2/W，这种折射率为传输信号光强所调制 的非线性现象称为克尔效应。在单波长链路中，这种非 线性会引起传输过程中与载波强度相关的相位调制 （SPM），SPM会使光波的功率波动转化成相位波动。
自相位调制
1. SPM感应频谱变化 2.群速度色散的影响 3.高阶非线性效应 4.SPM应用举例
1. SPM感应频谱变化
非线性相移
✓ 利用归一化的振幅U(z,t)，传输方程可以写为：
i U z
sgn(2 )
2LD
2U
2
e z LNL
|U
|2
U
在β2=0的极限条件下变为
光纤损耗系数
U iez | U |2 U
z LNL
LNL ( P0 )1 非线性长度
用 U V exp(iNL ) 做代换，并令方程两边的实部和虚部分别相等，有
V 0 z
NL e z V 2
z LNL
由于振幅V不沿光纤长度L变化，直接对相位方程进行解析积分，可以得到
通解为
U (L,T ) U (0,T ) exp[iNL (L,T )]
而中心频率附近为零。
✓ 脉冲频谱的变化
SPM感应频率啁啾可以使频谱展宽，也可以使频谱变窄，这取决于入
射脉冲的啁啾方式。
若入射脉冲是无啁啾的，SPM总是导致频谱展宽。令δω(T)的时间导
数为零，可以得到δω的最大值为
max
mf (m) T0
m
ax
对无啁啾高斯脉冲，有 0 T01
f
(m)
2
1
1 2m
z LD 归一化距离 说明：
T T0 归一化时间
(1)N决定着在脉冲演化过程中究竟是SPM还是GVD效应起主要作用。当
N<<1时，色散起主要作用；而当N>>1时，则SPM起主要作用；当N≈1时，
GVD和SPM起同样重要的作用。
(2)sgn(β2)=±１取决于GVD是正值（β2>0）还是负值（β2<0）。 (3)可以用分步傅里叶方法数值求解此方程。
非线性偏振旋转锁模
Y
Y
max = P0 Leff
X
X
交叉相位调制（XPM）：
当光纤中传播不同频率的光波时，介质的折射率与所有光波 的光场都有关系，因此，某一特定频率的相位不但与自身的光场有 关，还与其它频率的光场有关。
NL j
=n（2 j
/c）（|E
j|2
+2|E3
j|2）z
j=1,2 n 2 非线性折射系数
经过腔体一周传输后,脉冲不同部分因为其本身强度不同而积累不同 的非线性相移,相应的,其合成矢量偏振态也会因非线性不同而产生 不同程度的偏振旋转,当其再次通过起偏器时,就会因脉冲不同部分 的不同偏振态而引发一个偏振相关的自幅度调制可饱和吸收体效应, 进而实现锁模脉冲窄化,形成超短脉冲。
非线性偏振旋转锁模（NPR）： 当一个脉冲的两正交偏振分量在光纤，配合两个偏振控制器产生一个具有 自幅度调制作用的等效快速可饱和吸收体的 被动锁模机制，实现脉冲的窄化。
XPM
自相位调制（SPM）：
光纤中的非线性效应,光纤折射率将随光强变化
1.OTN波分基础概述
脉冲展宽
光纤色散分类：
T
材料色散：折射率的不同导致不同频率的群速率不同，导致色散。 波导色散：导引模传播常数β会随着波长变化而变化的非线性函数，产生色散。 偏振模色散PMD：光纤基膜中相互垂直的两个偏振模，(1)如果纤芯受压力呈 椭圆度，导致横纵轴的不均匀性，(2)材料的热膨胀系统的不均匀性，导致光 纤截面上各向异性的应力，导致折射率的各向异性，导致群时延不同。 模间色散（多模光纤）：不同导引膜的群速率不同引起的色散。 第 12 页
?自相位调制spm和交叉相位调制xpm?光纤中的兊尔效应kerr是一种折射率的非线性效应即光纤中激光强度的发化导致光纤折射率的发化引起光信号自身的相位调整这种效应叫做自相位调制?在多波长系统中一个信道的相位发化丌仅不本信道的光强有关也不其它相邻信道的光强有关由于相邻信道间的相互作用相互调制的相位发化称为交叉相位调制xpm
第 13 页
1.光纤-传输特性
偏振模色散PMD的主要记忆内容
偏振模色散主要影响10Gbps速率以上的信号。 偏振模色散主要受客观环境条件影响，所以是随机性的，难以预先计算，只能 现场测试。 ITU-T规定单模光纤的平均偏振模色散系数， PMD ≤0.5ps/ km
快轴 快轴
信号传送方向 慢轴
选用新型光纤。 G.655(非零点色散位移光纤),在1550nm波长附近，光纤色度 色散系数4ps/nm· Km左右。 色散补偿技术。
色散补偿光纤（DCF）。是一种特制的光纤，其色度色散为负值，恰好与G.652光 纤相反，可以抵消G.652常规色散的影响。但衰耗大（约为0.5dB/km）需使用 EDFA来补偿，且对强光产生严重的非线性效应，应与避免。 色散补偿器DCM。如采用采用啁啾光栅做色散补偿，其色散补偿量标称值为40公 里、60公里和80公里，做成单板。【☆最常用的方法☆】 非线性光学效应压缩色散。具体是指利用Kerr效应之一的自相位调制特性。
光学中的非线性光学
光学中的非线性光学在镜头中，我们常常听到非线性光学这个术语。
它是光学领域中的一个重要分支，涉及到光与物质相互作用时产生的非线性效应。
本文将详细介绍光学中的非线性光学，并讨论其在科学研究和技术应用中的重要性。
一、非线性光学的基本概念非线性光学是指在光与物质相互作用时，光的电磁特性不在遵循线性超定理的现象。
通常情况下，光学中的光与介质的相互作用是线性的，即光的传播方式符合麦克斯韦方程组所描述的线性传播规律。
然而，当光的强度足够强时，光与介质的相互作用就会变得非线性，这时光的传播不再符合线性传播关系。
二、非线性光学效应非线性光学效应主要包括自聚焦效应、自相位调制效应、和非线性吸收效应三个方面。
自聚焦效应是指在介质中，光强足够高时将会自聚焦且形成孤子束，这一现象在激光技术和光通信系统中极为重要。
自相位调制效应是指光束在传播过程中，其相位会随着强度的变化而发生改变，造成光脉冲的相位调制，这个效应在光学通信中有重要的应用价值。
非线性吸收效应是指介质与光的相互作用会导致光的吸收增加，这一效应在传感器和激光材料的应用中有重要的作用。
三、非线性光学的应用非线性光学在科学研究和技术应用中有着广泛的应用。
首先，在光学通信领域，非线性光学效应使得光纤通信能够实现高速、大容量的数据传输，提高了现代通信的速度和质量。
其次，在激光技术方面，非线性光学可以用来实现超快激光脉冲产生，提高激光器的输出效率和功率。
此外，在光传感器的设计中，非线性光学效应也可以用来提高传感器的灵敏度和响应速度。
四、非线性光学的研究进展随着科学技术的发展，对于非线性光学的研究也在不断深入。
新材料的发现和设计使得我们能够更好地利用非线性光学效应，如铌酸锂晶体、有机聚合物和纳米材料等。
同时，新的非线性光学技术也在不断涌现，如超快光学技术、光学相位共轭技术等。
这些进展为非线性光学的应用提供了更广阔的发展空间。
五、结语非线性光学作为光学领域的重要分支，在科学研究和技术应用中发挥着重要的作用。
激光物理学中的激光脉冲压缩和产生
激光物理学中的激光脉冲压缩和产生激光技术是现代科技中最为前沿的领域之一。
光学基础理论中的激光脉冲压缩技术是激光技术在实际应用中的最为重要的技术之一。
激光物理学中，激光脉冲压缩和产生是实现高功率和高强度激光输出的关键技术。
本文将从理论和实际应用两个方面，分别探讨激光脉冲压缩和产生的原理及其在现代技术中的应用。
一、激光脉冲压缩原理激光脉冲压缩是指对激光脉冲的时间宽度进行压缩，从而使激光脉冲的带宽增大，达到更高的能量密度，从而实现高功率激光输出。
常用的激光脉冲压缩技术包括牛顿环法、自相位调制法、V 型相位微调法、衍射相位微调法和自适应相位调制法等。
牛顿环法利用激光光路中光路长的调节，即调节腔长度使合适波前对中心成为牛顿环，在此基础上再用光学实现对脉冲带宽的压缩。
自相位调制法是利用声光晶体的相位调制成像原理，在光学路径上加入一段长约为脉冲带宽的相移板，通过与光照射时间的非线性关系将自由成像论调制到脉冲光上，实现波前的压缩。
表面微结构技术应用于脉冲压缩中，利用光在小尺度结构上的衍射效应实现对波前的调制。
自适应相位调制技术是利用空间光调制的特性，在构建起一个用于脉冲波形调制的光学装置中，实现对脉冲波形的精确调制，以达到压缩脉冲的目的。
通过这些技术，可以有效地压制并控制激光脉冲的带宽，从而产生高能量密度的脉冲。
这种现象广泛应用于激光切割、激光表面处理和激光微加工等各个领域。
二、激光脉冲产生原理激光脉冲产生是实现激光技术的基础。
激光脉冲产生固态激光器主要有泵浦吸收、激光辐射发射和激光调Q技术等方法。
泵浦吸收是将高功率光在介质中吸收后，转换成激光器工作介质中所需要的激发能量。
激发的反应原理可以是原子和离子的能级跃迁，也可以是电子的运动状态改变。
激光辐射发射是利用反转粒子之间的辐射复合作用，在光学谐振腔中形成放大反馈。
具有高能密度和线状谐振腔的外壳被光辐射，因而介质中存在的反转粒子发生激光辐射并不断扩散，光在光学谐振腔内反复反射，激光得到强烈的放大，高强度激光脉冲从出射镜进行输出。
自相位调制
自相位调制
非线性薛定谔方程
A i 2 2A 2 i A | A | A (1) 2 z 2 2 T 式中，A为脉冲包络的慢变振幅，T是随脉冲以群速度vg移动的参 考系中的时间量度（T=t-z/vg）。方程右边的三项分别对应于光 脉冲在光纤中传输时的吸收效应、色散效应和非线性效应。
用U
V exp(iNL ) 做代换，并令方程两边的实部和虚部分别相等，有
V 0 z
NL e z 2 V z LNL
由于振幅V不沿光纤长度L变化，直接对相位方程进行积分，可以得到 通解为
自相位调制
U ( L, T ) U (0, T ) exp[iNL ( L, T )]
自相位调制
定义：在非线性光学介质中，介质的折射率与入射光的光强有关，
信号光强的瞬时变化引起光感应折射率变化，这将导致光波在传播 过程中发生相位变化，光波相位变化正比于光功率，因此称之为自 相位调制。 在单波长系统中光强变化导致相位变化时，自相位调制效应使信 号频谱逐渐展宽。这种展宽与信号的脉冲形状和光纤的色散有关。
exp 1 2m
为得到展宽因子，需要知道脉宽T0与初始谱宽 0 T01 高斯脉冲，有
令m=1，可以计算出
的关系。对无啁啾
幅度下降到1/e处的半宽度
max 0.86 0 max
表明展宽因子近似由最大相移φmax数值给定。
自相位调制
自相位调制
脉冲频谱的变化
SPM感应频率啁啾可以使频谱展宽，也可以使频谱变窄，这取决于 入射脉冲的啁啾方式。 若入射脉冲是无啁啾的，SPM总是导致频谱展宽。令δω(T)的时间 11 2 m 导数为零，可以得到δω的最大值为 1 1
光孤子传输原理及应用于光通信系统
光孤子传输原理及应用于光通信系统光通信作为一种高速、大容量、低损耗的通信方式，已成为当今通信领域的重要研究和应用方向。
为了进一步提高光通信系统的传输速率和容量，光孤子传输技术应运而生。
本文将介绍光孤子传输的原理及其在光通信系统中的应用。
一、光孤子传输原理光孤子是指一种具有自包络和自调制特性的光信号，其形态稳定且能够长距离传输而不发生形状变化。
光孤子传输是利用非线性效应和色散的互相抵消来实现的。
具体来说，光孤子传输通过与光纤中的色散和非线性效应相互作用来保持波形，从而抵消色散造成的信号失真。
在光孤子传输中，非线性效应主要包括自相位调制和光纤中的拉曼散射。
自相位调制是指光波在光纤中传输时，由于非线性光学效应而引起的相位调制。
而拉曼散射是指光波在光纤中发生的一种非线性散射现象，它可以在光纤中引入非线性光学效应，从而影响光信号的传输。
光孤子传输的关键是通过调整非线性效应和色散效应之间的相互作用，使其互相抵消，从而实现信号的长距离传输。
通过合理设计光纤结构和光子器件，可以减小信号的失真和衰减，提高传输距离和传输容量。
二、光孤子传输在光通信系统中的应用光孤子传输技术具有许多优点，使其成为光通信系统中的热门技术之一。
以下是光孤子传输在光通信系统中的几个重要应用。
1. 高速光传输：光孤子传输技术可以实现高速率的光信号传输。
由于光孤子的波形稳定性和自修正能力，可以使光信号在长距离传输时几乎不发生衰减和失真，从而实现高速率的数据传输。
这使得光孤子传输技术在宽带通信和数据中心互联中具有广阔的应用前景。
2. 光纤通道改善：光孤子传输技术可以在光纤通道中实现信号的长距离传输。
由于光孤子波形的自维持特性，可以抵消色散效应对信号的影响，从而显著改善光纤通道的传输性能。
这对于光通信系统中长距离传输和网络扩容具有重要意义。
3. 高容量光传输：光孤子传输技术具有较大的光信号容量。
通过合理设计传输系统结构和使用适当的光纤材料，可以实现光孤子传输信号的高容量传输。
自相位调制
1. 引言
随着光纤通信技术的发展，通信过程中使用的光脉冲越来越短，由于非线性效应的影响，会导 致相邻脉冲串扰，严重影响通信的性能，因此有必要对光纤光学中的非线性效应进行研究，从而改 善系统性能，提高通信容量和质量。1970 年，Algano 和 Shapiro 利用皮秒脉冲观察到了固体及玻璃 中的自相位调制[1]。自相位调制是由于光纤的有效折射率与入射光的强度有关，光波相位随着光功 率的变化而变化，它将导致脉冲的频谱展宽[2]。虽然自相位调制在光纤通信中会导致很多弊端，但 是它依然有很多优异的特性在超短脉冲的产生[3]、快速光开关[4]、全光再生器[5]、被动锁模[6]、啁啾 脉冲放大[7]、脉冲压缩[8]、光孤子[9]等有广泛的应用。
图 7 基于 SPM 全光再生的系统结构框图
图 8 基于 SPM 全光再生的原理图
如图 7 和图 8 所示，在高非线性光纤(HNLF)中，如果输入信号的功率足够大，SPM 效应产生随 时间变化的频率惆啾，致使信号的频谱明显展宽，因此，采用偏移中心波长的滤波器(BPF)，信号将 被恢复。对于输入功率较低的噪声，由于 SPM 效应不明显，经过光纤前后频谱展宽较小，如果滤波 器偏移量选取恰当，将把噪声滤出，实现全光再生。
（a） （b）
图 2 （a）无啁啾高斯和超高斯脉冲 SPM 展宽频谱的比较（b）初始频率啁啾对啁啾高斯脉冲 SPM 展宽频谱的 影响
从图 2（a）中可以看到：频率啁啾主要出现在前后沿附近，当前后沿变陡后，图中的尾部覆盖 的频率范围扩大，但同时其所携带的能量减少
[16]
。虽然两频谱都呈现出了多峰结构，但对于高斯脉
2. 自相位调制
在非线性光学介质中，介质的折射率与入射光的光强有关，信号光强的瞬时变化引起光感应折 射率变化，这将导致光波在传播过程中发生相位变化，光波相位变化正比于光功率，因此称之为自 相位调制。本章通过解非线性薛定谔方程来介绍非线性相移[10]、脉冲频谱的变化[11]、脉冲形状和初 始啁啾对自相位调制的影响[12]以及群速度色散对自相位调制[13]的影响。 2.1 非线性相移 在对光纤中的非线性效应进行理论分析的时候，我们要用到非线性薛定谔方程[14]，它是由麦克 斯韦方程组推导而来的：
自相位调制
自相位调制效应 能引起相当大的 谱加宽！
14
1.3 脉冲形状与初始啁啾对谱加宽的影响
15
2. 群速度色散(GVD)的影响
考虑GVD和SPM共同作用时，脉冲时域轮廓和频 谱演化规律。 1. 反常色散区——光孤子。
2. 正常色散区——脉冲自压缩效应。
16
2.1 脉冲演化规律
考虑一个超高斯型脉冲：
讨论：
（1）在脉冲前部δω 为负(red-shift)，而在脉冲 尾部δω为正(blue-shift) （2）对高斯型脉冲，在脉冲中部区域，SPM引起 的是线性正（上）啁啾。 （3）脉冲的前部和后部越陡，啁啾越大！
（4）对超高斯型脉冲，脉冲中部几乎没有啁啾。
9
1.1 非线性相移
对石英光纤： Gamma的取值范围：
6
1.1 非线性相移
上述传输方程的求解方法：
脉冲包络形状不变，复振幅相位随传输变化！
7
1.1 非线性相移
LNL的物理意义：最大相移等于1时对应的有效传输距离。 考虑典型值： SPM引起谱展宽是相移时变的结果！这种时变谱加 宽也就是频率啁啾。
8
1.1 非线性相移
10
1.1 非线性相移
11
1.2 脉冲谱变化
谱加宽最大值：
对一个初始无啁啾的高斯脉冲： 是1/e半宽度。
，这里
12
1.2 脉冲谱变化
脉冲谱轮廓 ：
谱加宽不仅与脉冲 的形状有关，还与 脉冲的初始啁啾有 关。右图显示了一 个无啁啾高斯脉冲 的谱加宽情况。 用最大非线性相 移表示传输。
13
1.2 脉冲谱变化
能量与峰值功率的关系：
Ein
2
T0 Pin
第四章-自相位调制
✓ SPM感应频率啁啾：
φNL与时间有关，这种瞬时变化的相位意味着在光脉冲的中心频率两侧 出现了不同的瞬时光频率，也就是出现了频率啁啾。
(T ) NL T
Leff LNL
T
| U (0,T ) |2
负号是因为 expiቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt 的原因
这种啁啾是由 SPM引起的，它随传输距离的增大而增大，换句话说， 当脉冲沿光纤传输时，新的频率分量在不断产生。这些由SPM产生的 频率分量展宽了频谱，使之超过了z=0处脉冲的初始宽度。
✓ 渐进解（自相似解）为
p (z,T) 0 3 2g Ap2(z) g 62 T 2
A(z,T ) Ap (z) 1T 2 Tp2(z) exp ip (z,T )
Tp (z) 6g1 2 21 2 Ap (z)
Ap
(z)
1 2
gE0
1
3
2
21 6 exp gz
3
✓ 自相似解的特征：
• 脉冲宽度Tp(z)随振幅Ap(z)线性变化， 这样的一个解可称为自相似解，正 是由于这种自相似性，即使脉冲宽 度和振幅随z按指数形式变化，脉冲 也能保持其抛物线形状。
图中TOD对频谱的影响也很明显，在无TOD效应的情况下， 其频谱也出现了两个对称的峰，TOD效应导致了频谱的不对 称性，但没有影响其双峰结构，
✓ 上图给出对较大的Ñ值时（Ñ=10），无啁啾高斯脉冲在ξ'=0.1处的形 状和频谱，脉冲有较深调制的振荡结构。在此频谱图中最值得注意的是， 脉冲能量集中于两频谱带，这是Ñ≥1的脉冲所共有的特性。由于有一个 频谱带落在了光纤的反常色散区，此频谱带的能量能形成孤子，另一落 在正常色散区内的频谱带的能量随脉冲的传输将扩散开来。
光纤通信基本理论测试题(含答案)
一、填空题1．光纤通信中所使用的光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具有(束缚)和传输光的作用。
2．光具有波粒二像性，既可以将光看成光波，也可以将光看作是由光子组成的(粒子流)。
3．波动光学是把光纤中的光作为经典(电磁场)来处理。
4．光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，由于不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致(信号畸变)的一种物理现象。
5．在数字光纤通信系统中，色散使(光脉冲)发生展宽。
6．波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的(几何结构)所引起的。
7、光纤的非线性可以分为两类，即受激散射效应和（折射率扰动）。
8．当光纤中的非线性效应和色散(相互平衡)时，可以形成光孤子。
9．单模光纤的截止波长是指光纤的第一个(高阶模)截止时的波长。
10．单模光纤实际上传输两个(相互正交)的基模。
11、光纤通信是以（光波）为载频，以光纤为（传输媒介）的通信方式。
12、目前光纤通信在（1550nm）波段附近的损耗最小。
13、（数值孔径）表征了光纤的集光能力。
14、G．653光纤又称做色散位移光纤是通过改变折射率的分布将(1310)nm附近的零色散点，位移到(1550)nm附近，从而使光纤的低损耗窗口与零色散窗口重合的一种光纤。
15、G．655在1530-1565nm之间光纤的典型参数为：衰减<（0.25）dB/km;色散系数在(1-6ps/nm·km)之间。
16、克尔效应也称作折射率效应，也就是光纤的折射率n随着光强的变化而变化的（非线性）现象。
17、在多波长光纤通信系统中，克尔效应会导致信号的相位受其它通路功率的（调制），这种现象称（交叉相位调制）。
18、当多个具有一定强度的光波在光纤中混合时，光纤的（非线性）会导致产生其它新的波长，就是（四波混频）效应。
19、G．652光纤有两个应用窗口，即1310nm和1550nm,前者每公里的典型衰耗值为（0.34dB）,后者为（0.2dB）。
60分钟学会波分基本原理
(波分)就是分、合各种光(波长)
WDM波分复用就是将不同颜色的“光”(波长)在同一根光纤中传输，就像我们 看到的 赤橙黄绿青蓝紫 七色 混合成一种白色在传输一样
光纤
DEMUX MUX
非本站点落地业务，直接穿通
光功率或OSNR不够，中继一下
OTU1
光纤
OTU2
OTU3
本站点落 地业务
一根光纤分出 多路波长
目录
1 WDM原理 2 WDM的系统受限因素和补偿 3 WDM系统的主要构成 4 OTN技术简介
WDM的受限因素有哪些呢？
功率与OSNR
色散容限
PMD
非线性效应
光纤衰耗系数随波长变化曲线（损耗谱）
波长不同，损耗不同：850nm/1310nm/1550nm通常简称第1/2/3窗口； 1380nm附近由于氢氧根粒子吸收，光纤损耗急剧加大，俗称水峰（Water Peak）； ITU-T将单模光纤在1260nm以上的频带划分了O、E、S、C、L、U等6个波段； 容易看出，在这6个波段中，C波段和L波段损耗最小！
波分技术基础原理
课程介绍
• 内容简介：
• 主要向合作伙伴介绍WDM&OTN技术原理
• 课程面向对象：
• 合作伙伴售前L2、L3人员
• 课程目标：
• 通过本课程， 合作伙伴可以了解到WDM原理、WDM系统受限因素及补 偿、WDM系统的主要构成，以及OTN基本原理、基本特性以及关键特性 和相关产品
• 版本信息：
3 没有独立的监控信道
常用的光监控信道（OSC）波长为1310nm。但是1310nm是CWDM的一个波道 每一个站点损耗3dB（合入、分出OSC波长）
DWDM优势
超大容量（40/80/96/120波，单波2.5G-10G-40G-100G-400G600G-800G-…）
自相位调制
THANK YOU ！！
自相位调制
很多光材料的折射率n跟光强I相关，具体计算公式
为：
n0
n2I
n0
n2
P Aeff
其中，n0是材料的常态折射率，n2是非线性折射率系数， 在二氧化硅中，n2的值大约为2.6*10-8um2/W,在氟化 物玻璃中，n2的变化范围在1.2*10-6um2/W到5.1*106um2/W之间，在As40Se60硫属化合物中，n2的值为 2.4*10-5um2/W，这种折射率为传输信号光强所调制 的非线性现象称为克尔效应。在单波长链路中，这种非 线性会引起传输过程中与载波强度相关的相位调制 （SPM），SPM会使光波的功率波动转化成相位波动。
度量SPM效应强弱的主要参数是γ，具体公式为
2 n2 Aeff
式中λ，Aeff
Γ在二氧化硅的值介于1W-1km-1至5W-1km-1之间，这个值取决于 光纤型号和信号光波长。
由于SPM效应产生的频移△φ可用下式表
示
d
dt
Leff
dP dt
根据上式，信号功率的瞬时变化将会导致信号频率变化
在折射率与光强相关的媒质中， 时变的信号强度将产生时变的 折射率，因此，脉冲顶端的折 射率与脉冲后沿的折射率有微 小的不同。
时变的折射率产生了时变的相位 和频率，其结果是脉冲上各点的 频率与初始值v0不同，脉冲不同 部分所经历的相移也不同，这就 导致了频率啁啾，脉冲上升沿频 率红移（低频），向下降沿的频 率发生蓝移（高频）。
对于某些光纤，时变的相位会导致一定的功 率代价，这是由于脉冲沿光纤传播时，GVD致脉 冲展宽所引起的，在正常色散区，色度色散为负 且群时延随波长降低，意味着红光比蓝光的波长 更长，红光传播快，在这种情况下，啁啾加剧了 GVD导致脉冲展宽效应。而在反常色散区，色散 为正，群时延随波长增加，红移的脉冲前沿传播 较慢，它向脉冲中心方向移动，蓝衣后延传播较 快，向脉冲中心方向移动，SPM导致脉冲变窄， 部分补偿了色度色散。
光纤通信仿真
光纤通信仿真实验光纤模型实验：自相位效应姓名：万方力学号：班级：1303班指导老师：胡白燕院系：计算机科学与技术学院光纤模型实验：自相位效应一、实验目的1、通过进行本次实验，加深光纤结构以及特性的理解，通过实验现象的分析，结合理论知识获得进一步的认识。
2、本次实验是对自相位调制在脉冲传播上的模型进行模拟和验证，是基于光纤性质上的实验，通过本次实验，了解自相位效应的产生及影响，加深光纤相关知识的理解。
二、实验原理1、光纤的色散特性色散（Dispersion）是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传输时间不同而产生的一种物理效应。
色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。
1）模式色散光纤的模式色散只存在于多模光纤中。
每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。
2)材料色散含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，传输速度不同就会引起脉冲展宽，导致色散。
3）波导色散由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。
光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。
但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。
2、自相位调制信号光强的瞬时变化引起其自身的相位调制,即自相位调制。
在单波长系统中光强变化导致相位变化时,自相位调制效应使信号频谱逐渐展宽。
这种展宽与信号的脉冲形状和光纤的色散有关。
在光纤的正常色散区中,由于色散效应,一旦自相位调制引起频谱展宽,沿着光纤传输的信号将经历暂时的较大展宽。
但在异常色散区,光纤的色散效应和自相位调制效应可能会相互补偿,从而使信号的展宽小一些。
在一般情况下,SPM效应只在高累积色散或超长系统中比较明显。
受色散限制的系统可能不会容忍自相位调制效应。
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重庆大学研究生报告自相位调制课程名称：非线性光学专业：光学工程班级：光学工程二班学号：***********姓名：***成绩：评语：第2章应用自相位调制的色散补偿技术2.1 引言2.2 自相位调制对光信号的影响2.3 色散补偿系统中SPM的影响2.4 小结1.1 引言随着社会的发展，人类社会迈步进入信息时代，光纤无可质疑地成为信息交换中最重要的传输媒介。
光纤通信系统中，色散和非线性光学效应的问题一直是光通信研究的一个热点问题。
在强光的作用下，任何介质对光的响应都是非线性的，光纤也不例外作为传输波导的光纤，其纤芯的横截面积非常小。
高功率密度经过长距离的传输。
非线性效应就不可忽视了。
. 随着干线光通信系统朝、着长距离、高速率密集型波分复用（WDM）系统方向发展，光纤的非线性效应对系统的影响日益突出。
非线性对信号传输的影响不仅引起损耗，也将引起信号脉冲展宽, 限制输入信号功率和传输距离，并将导致频谱展宽和频率惆啾, 在多信道系统中还会引起信道间串音。
光纤中低阶非线性效应会产生光信号的自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM ）限制输入信号功率和传输距离，并将导致频谱展宽和频率惆啾。
当光场较强时光纤折射率将随光场幅度的变化而变化, 从而使相位随光场幅度而变化。
因此随着光场在光纤中的传输，光场自身产生的非线性效应而引起的非线性相移，使光纤中传输的光脉冲前、后沿的相位相对漂移，这种现象称为光场的自相位调制（SPM ）本文分析了部分相干脉冲传输时, 当光纤通信系统中非线性效应起主要作用。
色散相对比较弱时, 由自相位调制引起的频谱演变。
1.2 相干脉冲传输下自相位调制对脉冲频谱的影响光的自相位调制是一种非线性效应,如同光束的自聚焦一样, 光的自相位调制要求有相当强的光才能观察到。
SPM 对光纤中脉冲传输的影响可以通过求解非线性传输方程(10.2 -30)进行分析。
为了突出SPM 对信号传输的影响, 假定脉冲的中心波长位于光纤的零色散波长上, 则在方程(10.2 - 30)中β2=0。
同时, 如前面几节的讨论, 作下述变换, 定义出归一化振幅:),(),(,01T z U e P T z A z t T z αβ-=-= (1- 1) 式中, P0为输入脉冲的峰值功率; α为光纤损耗系数; U(z,T)是按随传输损耗减小的脉冲振幅峰值归一化后得到的信号脉冲形式, 它将只反映脉冲的形状和相位信息。
这样, 方程(10.2 - 30)变为：U U L e i z U NLz 2α-=∂∂ (1- 2) 方程(1 -2)的解为：),(),0(),(T z i NL e T U T z U ϕ= (1 - 3)22),0(),0(1),(T U L Z T U L e T z NLeff NL z NL =-=-αϕα (1 - 4) 说明SPM 效应并不影响初始脉冲的形状, 但产生了随脉冲幅度而变化的相位调制因子由(4) 可以看出非线性相移价NL ϕ 正比于2),0(T U ，那么它的瞬时变化恒等于脉冲光强的变化, 引起脉冲的惆啾效应,使脉冲的不同的部位具有与中心频率饰不同的偏移量⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-m m NL eff T T T T L Z T m T 20120ex p 2)(δω (1 - 5) δω的时间依赖关系可被看做频率咽啾,这种叨啾是由SPM 引起的,它随传输距离的增大而增大。
换句话说, 当脉冲沿光纤传输时, 新的频率分量在不断产生这些由SPM 产生的频率分量展宽了频谱使之超过了Z=0处脉冲的初始宽度脉冲频谱展宽的程度与脉冲的形状有关。
最大相移与光纤的有效长度、峰值功率有关。
最大相移峰值功率T0线性增大。
SPM 所致频谱展宽在整个频率范围内伴随着振荡结构通常, 频谱由许多峰组成, 且最外层峰强度最大, 峰的数目与最大相移有关, 且随最大相移线性增加。
1.3 相干脉冲传输下自相位调制对脉冲频谱的影响前面讨论的SPM引起的频谱展宽是入射光场完全相干的情况, 认为激光束的相干度足够高, 譬如,只要激光光源的相干时间远大于脉冲宽度,引起的光脉冲频谱展宽就几乎不受光源部分时域相干的影响, 在大部分的实际情况中, 部分相干的影响都可忽略但实际上,一般来说,激光的光束是部分相干的, 这是由于光源的自发辐射都会导致振幅和相位的随机起伏。
激光光源的相千时间Tc和脉冲宽度T0可比较时, 部分相干的影响就要考虑我们可以认为是部分相干光的强度和相位都存在起伏,SPM将强度的起伏转变成附加的相位起伏, 并使频谱展宽另外, 当波在光纤中传输时,SPM不断减小相干时间, 使其相干性越来越低。
部分相干光的光谱：（1-6）式中，相干函数定义为：（1-7）角括号表示对整个入射光场U(0 ,T)起伏的总平均U(0 ,T)的统计特性取决于光源对U( 0 ,T)的实部和虚部都为高斯分布的热源,在这种特殊情况下,上式的相关函数可写成:(1-8)式中是归一化传输距离。
对于完全相干场T=1。
对于高斯形输入相关函。
部分相干脉冲传输时由于自相位调制(SPM)引起频谱演变,普遍表示为部分相干脉冲输出频谱G（w）等于单载频脉冲的SPM 引起的惆啾频谱与光源的频谱的卷积。
该式g表示为光源的频谱，u表示为单载频脉冲的SPM引起的惆啾频谱。
其中式中，非线性相移如果输入为完全相干脉冲, 那么激光光源的相干时间 Tc 趋于无限大。
那么完全相干场 ,，此时为光源的频谱, 那么脉冲输频谱就是单载频脉冲的SPM引起的惆啾频谱U（w）。
由自相位调制(SPM )引起的频谱演变的普遍表示，即单载频脉冲SPM引起的惆啾频谱与光源的频谱的卷积，做出激光光源的相干时间Tc与脉冲宽度T0 取不同比值下的脉冲输出频谱，见图2。
从图2可以看出激光光源相千时间Tc与脉冲度T0不同比值下的输出频谱的演变，从而得出当激光光源的相干时间Tc远大于脉冲宽度T0时，脉冲输出频谱与图1中最大相移与单载频脉冲的SPM引起的惆啾频谱基本没变化。
当激光光源的相干时间Tc与脉冲宽度T0可比时，即部分相干脉冲传输下，部分相干脉冲输出频谱受到光源的频谱的影响，多峰结构的每一个峰开始展宽。
当激光光源的相干时间Tc小于脉冲宽度T0时,例如取Tc /T0=1/2结果分立的峰开始融合在一起。
在相干时间非常短的极限情况下,例如取Tc /T0=1/3 和Tc /T0=1/10,多峰结构完全消失,其频谱展宽,部分相干脉冲输出频谱基本由光源的频谱决定。
第2章应用自相位调制的色散补偿技术2.1 引言随着光通信技术的不断发展，光纤通信系统的容量和速率不断提高。
目前 ,10 G bit/ s 的SDH系统已投入商用，应用波分复用( WDM )技术可实现16×2.5G b it / S以的超大容量通信，而掺饵光纤放大器( EDFA )技术的成熟使超长中继距离成为可能。
所以，新一代干线光纤通信系统将以大容量、长中继距离为其基本特点。
由于系统速率的提高，光纤的色散成为限制系统性能的重要因素。
如果不进行色散补偿或色散管理，10 G bi t / S的系统只能传输十几公里。
目前已经提出了多种色散补偿方案，如:色散补偿光纤( DCF )、色散支持传输、光相位共扼、光孤子传输等。
其中，使用DCF进行色散补偿简单方便且较经济，是应用较多的一种方法。
在光纤通信线路中使用EDFA 能实现长距离无中继传输，但使耀合入光纤的光功率增大，可能会激发光纤中的非线性光学效应，如:受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)等。
一般来说，非线性效应与光纤色散相互作用会加速系统传输性能的恶化，但合理地应用非线性效应也可以改善系统性能。
这里，我们将介绍一种利用DCF 中的自相位调制效应提高色散补偿效果的技术。
2.2 自相位调制对光信号的影响(2-1) 率惆啾。
当激光器发送信号为高斯型脉冲时，这种惆啾如图1所示：所以,光纤通信系统的速率越高,入纤光功率越大,那么SPM引起的频率漂移就越大。
这种频率移动与激光器的频率惆啾类似，可以看作是SPM引起的频而在反常色散区,色散的作用与SPM相反,GVD提供了负的频率惆啾,光脉冲将当被SPM展宽了频谱的光脉冲在色散不为零的光纤中传输时，SPM与光纤缩，反常色散区频谱被展宽。
快的速率被展宽 , 色散的作用被加强,这时传输距离随入纤光功率增加而下降。
被压缩,传输距离得到提高。
反映到光信号的频谱上,在正常色散区发生频谱压移 , 即产生了一个正的频率惆啾。
这样GVD 的作用与SPM相同，使脉冲以更的群速度色散( GVD)相互作用，会使光信号在光纤的不同色散区产生不同的变化.在正常色散区,色散作用使光脉冲在传输过程中前沿发生频率红移,后沿发生蓝2.3 色散补偿系统中SPM的影响功率。
图2中,Al、A2为掺饵光纤放大器，ATT是可变光衰减器,用来控制输入光示：光功率的增加,接收信号眼图变好,表现为眼图清晰、垂直张开度变大,如图3所用计算机对此系统的传输进行模拟。
从模拟的结果可以发现:随输入DCF的得到过度补偿,眼图反而恶化,这从图3（c )可看出。
散造成的信号劣化,使系统的传输性能得到改善；但过强的自相位调制会使色散因为自相位调制与光功率成正比,增加输入功率加强了SPM效应,抵消了线路色2.4 小结的中继距离,提高信噪比,而且减少了DCF的需求长度,具有广泛的应用前景。
中自相位调制效应的利用不但可以放宽光纤最大输入功率的限制,增加信号传输可以预见,今后光纤通信系统的色散补偿将大量采用DCF补偿技术。
对DCF。