非线性光纤光学参考书经典
非线性光学-绪论-第一章
与材料研究紧密结合（非线性光学晶体BBO, LBO/半导体超晶格/量子阱/有机聚合物）
1984年，沈元壤出版《The Principles of Nonlinear Optics》一书
P
0
E
其中，0为真空介电常数， 为线性极化率
强激光入射介质（远离介质共振区），可以采用下面的级数
形式表示
P
0 (1)
E
0(
2)
:
EE
0
(3)
EEE
P(1) P(2) P(3) P(1) PNL
其中， (1)为线性极化率， (2) 和 (3)是二阶，三阶非线性极化 率。对于各向异性介质 ， (n)为（n+1）阶张量，张量元一般为
1）提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手段；
2）解决激光技术本身提出的一些课题；
3）提供了一批新方法和新技术；
简并四波混频产生相位共轭波；采用非线性饱和吸收调Q开关和锁模；采用 双光子吸收检测超短脉冲的脉宽；光学击穿用于触发快速火花隙电开关；采 用强光自相位调制和自加宽效应产生超连续谱；采用自相位调制可用光纤中 产生光孤子。
频）/光学参量振荡和放大效应 第四章 四波混频/ 光学相位共轭 第五章 光学克尔效应/ 光束自聚焦/ 自相位调制/
光学双稳态效应 第六章 受激拉曼散射/ 受激布里渊散射
课程要求和目的 课堂要求 考核方式
"for development of methods to cool and trap
atoms with laser light"
非线性光纤光学 第二章-脉冲在光纤中的传输
解线性波动方程前作两个近似：
a. 光纤的损耗很小， (r , )的虚部相对于实部可以忽略，因而有
n2 (r, ) (r, )，以微扰的方式将光纤损耗包括进去；
b. 在阶跃光纤的纤芯和包层中折射率与方位无关， nr , n( )
E ( E) 2 E 2 E
弱导条件下(n1≈n2)：
U W Jm Km 1 1 m 2 2 UJ m U wKm W U W
本征值方程又称特征方程，或色散方程。其中U与W通过其定义式与 β 相联系，因此它实际是关于 β的一个超越方程。当 n1、 n2、 a和 λ0给 定时 , 对于不同的 m值,可求得相应的 β值。由于贝塞尔函数及其导数 具有周期振荡性质, 所以本征值方程可以有多个不同的解 βmn(m=0,1,2,3... n=1,2,3...),每一个βmn 都对应于一个导模。
EH21、HE41模
TE02、TM02、HE22模 EH31、HE51模
色散曲线
图中每一条曲线都相应于一个导模。平行于纵轴的竖线与色散曲线的交点 数就是光纤中允许存在的导模数。由交点纵坐标可求出相应导模的传播常 数β。Vc越大导模数越多；当Vc＜2.405时， 在光纤中只存在HE11模，其它 导模均截止，为单模传输。
几个归一化参数
归一化工作频率：
V
2
0
2 a n12 n2 k0 an1 2
归一化横向传播常数： 归一化横向衰减常数： 有效折射率： 归一化传输常数：
U a n12 k02 2
2 2 W a 2 n2 k0
neff / k0
W b 2 2 2 V n1 n2
非线性光纤光学第九章-受激布里渊散射
调制不稳定性和混沌：当两反向传输的泵浦波同时出现时， 即使它们的强度都未能达到布里渊阈值，也能发生另一种 不稳定性，这种SBS感应的调制不稳定性类似于XPM感 应调制不稳定性 ；根据泵浦的不同，斯托克斯功率表现为 周期性或准周期性振荡，并最终变为混沌 。
5. 布里渊光纤激光器
连续（CW）运转的布里渊激光器
环形腔结构可以提高泵浦功率，使阈值降低，可用于高精度 激光陀螺仪中
分束器 定向耦合器 透镜 斯托克斯波 扫描光谱分析仪 泵浦波
激光器
图9.18 光纤布里渊环形激光器的示意图，定向耦合器将泵浦光束注入环 形腔内
F-P腔结构的布里渊激光器同时存在前向和后向传输的泵浦 波和斯托克斯波分量，不仅能通过级联SBS过程产生更高级
在稳态条件下，这两项为零，方程简化为前面最初的方 程。
弛豫振荡：在达到稳定值时，有弛豫振荡现象；如果存在 外反馈，弛豫振荡会转变为稳定振荡 。
解释：在光纤输入端附近，斯托克斯波的迅速增大消耗了大 量泵浦波，导致增益下降，直到泵浦波的消耗部分从光纤出 来，增益才重新恢复。上述过程重复进行形成了振荡。
近似相等
As 1 As 2 As i As 2 Ap z vg t 2
2
A i A Q
i 2 Q Q 1 vA B i B Ap As* t z Aeff 2
声波振幅
说明：以上方程只考虑到SPM和XPM效应，没有考虑色散！
本 章 小 结
1、SBS特点 增益带宽窄（约10GHz），这说明SBS效应被约束在 WDM系统的单个波长信道内 功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低
非线性光纤光学-第五章-光孤子
➢ 孤子的物理理解： ✓ 光孤子由色度色散和自相位调制的结合而形成。 ✓ 通过选择适当的波长和脉冲形状，激光产生孤子波形， 孤子波形通过
自相位调制抵消掉色度色散，从而保持波形不变。 ✓ 色度色散和啁啾(chirp)彼此抵消，从而产生孤子。
光孤子的数学描述
➢ 非线性薛定谔方程(NLS) 从数学上描述光孤子需要用到前面介绍的NLS，
✓ 随着波分复用技术的出现，色散管理技术被普遍采用，它通过周期性色散图从 总体上降低GVD，而在局部GVD则保持较高值。β2的周期性变化形成另一个光栅， 可以显著影响调制不稳定性。在强色散管理情况下（相对大的GVD变化），调制 不稳定性增益的峰值和带宽均减小。
✓ 调制不稳定性在几个方面影响WDM系统的性能。研究表明，四波混频的共振增强 对WDM系统有害，特别是当信道间隔接近调制不稳定性增益最强的频率时，使系 统性能明显劣化。积极的一面是，这种共振增强能用于低功率、高效的波长变 换
A z
i 2
2
2 A T 2
1 6
3
3 A T 3
i
|
A |2
A
2
A
为了简化孤子解，首先忽略光纤损耗和三阶色散，并引入归一化参量
U A , z , T
P0
LD
T0
输入脉冲宽度
归一化的方程为：
峰值功率
LD
T02
| 2
色散长度 |
i U
sgn(2
)
1 2
2U
2
N2
U 2U
N 2 LD
P0T02
第五章 光孤子
1.调制不稳定性 2.光孤子 3.其他类型孤子 4.孤子微扰 5.高阶效应
1.调制不稳定性
非线性光纤光学第一章绪论
➢ 20世纪60年代，光纤损耗超过1000dB/km；1966年，高锟预言高纯度的光纤可以传输光500m 还剩余10％的能量，当时听起来是神话。
➢ 1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km (1m附近波长区) ➢ 1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在1.55 m处)
最 大 的 角 应 该 是 使 c 。 在
n0 / n1 界面，根据斯奈尔(Snell)定律，得
到
sin max
sin 90o c
n1 n0
全 反 射 时 满 足 ， sinc n2 n1 ， 将此式
代入上式，得到
sinmax
n12 n22 1 2 n0
当光从空气进入光纤时， n0 1，所以
表示光纤性质的光学参数
✓ 相对折射率差(阶跃光纤)
相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数，其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难 易程度。
n12 n22 2n12
包层折射率 纤芯折射率
✓数值孔径（NA）
n1 n2 >n0 n0
B
>c
<max
A B
>max
<c 900_ c
不同入射角的光线
c 2 a N A /2 .4 0 5 1 .1 8 m
光纤制造
原料制备 原料提纯 制棒 拉丝 涂敷 筛选 合格光纤
纯度分析 质量控制
制造光纤的工艺流程
性能测量
(1)制作预制棒
➢ 汽相沉积法 ✓ CVD－化学汽相沉积法 ✓ MCVD—改进的化学汽相沉积法 ✓ PCVD－等离子体化学汽相沉积法 ✓ OVD－棒外汽相沉积法 ✓ VAD－轴向汽相沉积法 ➢ 非汽相沉积法 ✓ 多组分玻璃法 ✓ 凝胶法 ✓ 机械成形光纤预制棒法
《光纤的非线性》课件
随着超快激光技术的发展，超快光纤非线性现象成为新的研究领域，如飞秒脉冲在光纤 中的传输和演化等。
光纤非线性的多物理场耦合研究
光纤中的非线性效应与温度、压力、电磁场等多种物理场存在耦合作用，深入研究这些 耦合作用有助于更好地理解和应用光纤非线性效应。
05
光纤非线性的实验研究
实验设备与环境
光纤非线性在光传感中的应用案例
光纤传感器
光纤的非线性效应可以用于实现光纤传感，通过测量光纤中光的非线性效应来 检测温度、压力、磁场等物理量，提高光纤传感器的灵敏度和精度。
光干涉仪
利用光纤的非线性效应，可以实现光干涉仪的干涉条纹移动和调制，提高光干 涉仪的测量精度和稳定性。
感谢观看
THANKS
02
当光在光纤中传输时，如果光强度足够高，会使光 纤的折射率发生变化，从而产生非线性效应。
03
光纤非线性是光纤通信系统中的重要问题，它会对 信号传输产生影响。
光纤非线性的产生原因
光强度的变化
当光强度足够高时，光纤中的电子受到激发，导 致折射率发生变化，从而产生非线性效应。
光纤结构
光纤的结构也会影响非线性效应的产生，例如光 纤的芯径、折射率等参数。
四波混频
总结词
四波混频是一种光纤非线性现象，它发生在多个不同频率的光波在光纤中传播时相互作用的情况。
详细描述
当多个不同频率的光波在光纤中传播时，它们之间会发生相互作用，导致光波的频率发生变化。这种 频率变化通常表现为产生新的频率分量，即四波混频。这种现象在强光作用下尤为明显，对光纤通信 系统性能产生重要影响。
光纤非线性机制的研究
研究者们通过理论和实验研究，深入了解了光纤 中非线性机制的物理本质，包括非线性折射率、 非线性耦合等。
非线性光学(3)
能流关系
非线性光学 Nonlinear Optics 第三章 胡巍 目录 倍频过程
三波耦合方程
同样变化: n1 c ∗ ∂ (2) ∗ ∗ −i∆kz E E1 = iχef f E3 E2 E1 e ω1 1 ∂z n2 c ∗ ∂ (2) ∗ ∗ −i∆kz E2 = iχef f E3 E1 E2 e E ω2 2 ∂z 得到 n1 ∂ n2 ∂ |E1 |2 − |E2 |2 = 0 ω1 ∂z ω2 ∂z n1 n2 |E1 |2 − |E2 |2 = Const ω1 ω2 Sω 1 S ω 2 − = Const ω1 ω2 Sω 1 Sω 3 + = Const, ω1 ω3 Sω 2 S ω 3 + = Const ω2 ω3
于是: ∂ E3 = ∂z ≡ 注意: . (2) χef f = e ˆ3 · χ(2) (ω1 , ω2 ) : e ˆ1 e ˆ2 = χ(2) (ω1 , ω2 ). .ˆ e3 e ˆ1 e ˆ2 =
µ 2 iω3 e ˆ3 · χ(2) (ω1 , ω2 ) : e ˆ1 e ˆ2 E1 E2 ei∆kz k3 c2 iω3 (2) χ (ω1 , ω2 )E1 E2 ei∆kz n3 c ef f
ManleyRowe关系–能流
守恒 倍频的耦合方程和相 位匹配
相位匹配
相位匹配的概念
非线性光学 Nonlinear Optics 第三章 胡巍 目录 倍频过程
三波耦合方程
小信号情况, 当Eω 为常数时,可以直接积分得到 |E (2ω, z )|2 = sin(∆kz/2) ω 2 (2) 2 |χef f | |E (ω, 0)|4 z 2 (∆kz/2) c2 n2 2
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1 光学技术的发展（上）周立伟院士 2 光学技术的发展（下）周立伟院士 3 平面光学组件加工技术曹天宁教授 4 光学溥膜的监控技术卢维强教授 5 大口径精密非球面光学组件制造郝沛明教授 6 非球面技术的发展和应用辛企明教授 7 一种新型的球面非球面加工技术（上）朴承镐教授 8 一种新型的球面非球面加工技术（下）朴承镐教授 9 球面加工技术及批量组件制造新理念吕秉峰专家 10 光学组件的干涉检测技术陈磊教授 11 应力对于精密光学仪器组件可靠性的影响及采取的措施李德培教授 12 照明光学安连生教授 13 光学组件加工过程的防腐稳定技术蔡立教授 14 光学组件的双面加工技术吴雪原高工 15 光学制造工艺及光学加工机械发展张曾杨教授祝商祺。
非线性光学课件
光参量放大器： 利用非线性光 学效应，通过 控制输入光的 参量如振幅、 相位、偏振态 等实现光信号
的放大。
光参量振荡器： 利用非线性晶 体产生特定波 长的激光输出， 具有频率稳定、 波长可调谐等
优点。低频率的光输
出。
非线性光学应用
光通信领域应用
添加副标题
非线性光学课件
汇报人：
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PART One
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PART Three
非线性光学原理
PART Two
非线性光学概述
PART Four
非线性光学材料
PART Five
非线性光学器件
PART Six
非线性光学应用
单击添加章节标题
非线性光学概述
定义与性质
非线性光学的定 义
非线性光学的性 质
光孤子通信
光纤放大器
光纤激光器
光纤传感技术
生物医学领域应用
光学显微镜：利用非线性光学效应提高显微镜的成像质量，能够观察更细 微的结构。
光镊技术：通过非线性光学效应产生的光场束缚和操控细胞、病毒等生物 微粒，为生物医学研究提供新的工具。
光学成像：利用非线性光学成像技术可以对生物组织进行高分辨率、高对 比度的成像，提高医学诊断的准确性和效率。
非线性折射率
定义：非线性折射 率是指材料在强光 作用下折射率随光 强的变化而变化的 现象
产生原因：与材 料中的微观结构 和分子排列有关
表现形式：在强光 作用下，材料折射 率会发生变化，导 致光的传播方向发 生改变
应用领域：在光 学通信、光学成 像等领域有着广 泛的应用前景
非线性吸收系数
定义：非线性吸收系数是描述物质在强光作用下非线性吸收特性的参数 影响因素：包括光强、光束宽度、物质浓度等 计算方法：通过实验测量或理论计算得到 应用领域：在光学通信、光学传感等领域有着广泛的应用
第六章光纤非线性
5
第一节 非线性传输方程
一 非线性折射率 二 非线性传输方程 三 非线性的重要性
非线性传输方程
非线性： 光纤对外场的电极化响应是非线性的。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大，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。
(
(
1) ( E + χ E + ε NL E
1) ( 1 + χ + ε NL E 2
)
)
= ε 0 (ε r + ε NL ) E = ε 0n E
相对介电常数 非线性极化对介质光学特性的影 响表现为折射率的变化
非线性折射率(3)
非线性折射率
n = ε r + ε NL = (n + ∆n ) ≈ n + 2n∆n
= ∆n n2 = E n2 ψ
2
A
2
∆β =
n2 k0 ∫ ψ ds
4 s
有效面积
2 2
∫
s
ψ ds
2
2
ψ ds ∫s
2
2
2 ψ ds A = γ A 令， ∫ Aeff = s 4 ∫ ψ ds s
非线性系数
n2 k0 γ= Aeff
15
非线性传输方程的获得
光信号频域传输方程
非线性传输方程 光纤的非线性系数
∂A( z,ω − ω0 ) β2 2 2 + j β1 (ϖ − ϖ 0 ) + (ϖ − ϖ 0 ) A( z, ω − ω0 ) = − jγ A A( z, ω − ω0 ) ∂z 2
非线性光纤光学 第三章-群速度色散
2 3. 4
L<< LNL LLD L LNL L≥ LNL L<<LD L≥LD
×
×
2.色散感应的脉冲展宽
线性条件下的传输方程
对只有GVD起主要作用的情况，方程简化为下面的线性偏微分方程
U 1 2U i 2 z 2 T 2
如果利用你傅里叶变换
1 U ( z, T ) 2
双曲正割脉冲
T iCT 2 U (0, T ) sech exp 2 T0 2T0
这种脉冲的光场形式为
TFWHM 2ln(1 2)T0 1.763T0
对于高斯脉冲和双曲正割脉 冲，色散感应脉冲展宽的定性 特征近似一致。 二者主要区别是：对于双曲 正割脉冲而言，色散感应的频 率啁啾沿脉冲不再是纯粹线性 变化的。
δω随T线性变化，也就是说横过脉冲的频率变化是线性的，这称为线
性频率啁啾。
啁啾δω的符号依赖于β2的符号。在正常色散区(β2>0)，脉冲前沿 (T<0)的δω为负，向后沿δω线性增大；而在反常色散区(β2<0)则正 好相反。 无啁啾高斯脉冲入射的特点：
保持高斯形状不变
GVD展宽脉冲，展宽程度取决于LD GVD导致线性频率啁啾—β2>0，啁 啾线性；β2<0，啁啾线性
z z min C LD 处，脉冲宽度最小， 2 1 C
其值为
T1min
1 C
T0
2 12
啁啾高斯脉冲入射的特点： •保持高斯形状不变； •脉冲展宽依赖于β2和 C的相对符号。
对初始窄化阶段的解释： 当一脉冲带有啁啾，且满足β2C<0的条件，色散致啁啾与初始啁 啾是反号的，其结果是使脉冲的净啁啾减小，导致脉冲窄化。最 小脉冲宽度出现在两啁啾值相等处。随着传输距离的增加，色散 致啁啾超过初始啁啾而起主要作用，脉冲开始展宽。
《光纤的非线性》PPT课件_OK
Optical fiber commu nications
Copyright Wang Yan
1-9
C、基波另外的分量会引起频率的啁啾，并且改变其色散
D、忽略3次谐波
PNL
(r1
,
t
)
(
3 4
0
(3)
E
3
)
E
cos3
(
0t
0
z)
0
0
c
1 2(1) 3 (3) E 2
4
n
1 2(1)
0
4、The dleadEdti2nged0ge:i 0 红移
d E 2 0 蓝移i 0
dt
d E2 0
dt
i 0
2021/9/2
Optical fiber commu nications
Copyright Wang Yan
1-15
五、Cross phase Modulation XPM
当两个或每个不同波长的光波在光钎中同时传播时他 们将通过光纤的非线形而相互作用。此时有效折射率 不仅与该波的强度有关，也与其他波的强度有关。XP M就是指光纤中某波长的广场E由同时输出另一波长 的光场E2所引出的非线性相移。
PNL (r1, t ) 0 E (3) 3 cos3 (0t 0 z)
0
(3) E 3[ 3 4
cos(0t
0z)
1 4
30t
30t ]
B、新的频率成份 3似0 忽略
reason：其频率在感兴趣的频段以外
其强度弱因为有设有同基波进行任相
匹配 ( (30 ) 3(0 ) )
2021/9/2
值为 (3) 1034 ~ 1029
非线性光学第一章
2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）
发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔
展开各种非线性光学效应的应用研究：
线性光学
非线性光学
单束光在介质中传播，通过干涉、衍 某一频率的入射光，可通过与介质的相
射、折射可以改变空间能量的分布和 互作用转换成其它频率的光（如倍频），
传播方向，但与介质不发生能量的交 还可以产生一系列在光谱上周期分布的
换，不改变光的频率
不同频率和光强（受激拉曼散射）
多束光在介质中交叉传播，不发生能 量相互交换，不改变各自的频率
非线性科学（量子力学、相对论）
线性和非线性 (数学和物理上) 非线性科学，目前有六个主要研究领域，即： 混沌 (Chaos) 孤子波（Soliton） 分形（Fractal） 模式形成（Pattern formation） 元胞自动机（Cellular automata） 复杂系统 (Complex system)
Stanford University Stanford, CA, USA
Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France
National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA
4）非线性光学研究的未来发展趋势
非线性 光学规 律研究 的发展
趋势
研究对象从稳态过程转向动态；所用光源从连续、宽脉 冲转向纳秒、皮秒、飞秒甚至阿秒超短脉冲；从强光非 线性研究到弱光非线性研究；从基态－激发态跃迁非线 性光学研究转向激发态－更高激发态跃迁非线性光学研 究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象； 从二能级模型研究转向多能级模型；研究物质的尺度从 宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光 学），再到微观尺度（量子光学）。
5.对《Foundamentals of Nonlinear Optics》的介绍和评价
对《Foundamentals of Nonlinear Optics》的介绍和评价藏维平（南开大学物理科学学院教授）张立彬（南开大学外国教材中心副教授）由美国Dayton大学物理和电光系教授Peter E. Powers编写的《Foundamentals of Nonlinear Optics》(非线性光学基础)和现存的非线性光学书籍相比具有独特的特点。
满足了人们对于引论型非线性课本的需要。
它最突出的特点是包括了一些对于学习非线性课程的学生很重要的细节，这些细节在别的课本中常常被忽略或掩盖，另外在每一个章节还包含大量的难易适度的习题，这对于非线性课程的学习非常有用。
一、前言“非线性光学”是激光产生以后发展起来的“现代光学”的一个分支学科，它是研究激光与物质相互作用产生各种非线性现象的学科。
自上世纪六十年代激光的发现开始，非线性光学得到了快速的发展。
现已出版的论述“非线性光学”的书较多，但是其中有的书非线性光学理论比较庞杂，一般读者较难理解和掌握其中的物理意义；有的书内容比较陈旧，没有包括现阶段非线性光学的最新进展。
目前国内出版，作为研究生教材的有西安电子科技大学的石顺祥教授等编著的《非线性光学》、哈尔滨工业大学的李淳飞教授编写的“非线性光学”以及复旦大学钱士雄教授编写的《非线性光学》等在研究生教学中采用的较多。
国外的主要有非线性光学学科的开创者布莱姆伯根的《非线性光学》，是最早介绍非线性光学的理论著作。
比较有名的还有1984年沈元壤教授的《The Principles of Nonlinear Optics》（非线性光学原理）内容比较全，行文流畅，比较适合作为科研的参考书，也可以作为课本，基本上对当时的非线性光学的进展进行了很好的总结。
该书国内1987年由顾世杰先生翻译出版中译本，目前还很流行，在很多大学被选做研究生的非线性教材，具有相当的权威性。
但是该书后来没有出新版。
另一本比较有名的教材就是Rochester大学R.W.Boyd教授的《nonlinear optics》(非线性光学)，目前已经出版到第三版，被国外很多大学选为研究生教材。
《非线性光学》PPT课件
ppt课件
1
内容提要
线性与非线性光学 非线性光学的发展史 本课程的主要内容与大纲 本课程的教学安排 参考书
ppt课件
2
线性光学与非线性光学
激光问世之前，光学研究的基本前提是：
介质的极化强度与光波的电场强度成正比；
P＝cE
光束在介质中传播时，介质光学性质的极化率 /折射率是与光强无关的常量；
上世纪60年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时 以Bloembergen及他的学生为主
基本建立了以介质极化和耦合方程为基础的非线性光学理论
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15
非线性光学的发展历史
布隆姆贝根是非线性光学理论的奠基人。 他提出了一个能够描述液体、半导体和金 属等物质的许多非线性光学现象的一般理 论框架。他和他的学派在以下三个方面为 非线性光学奠定了理论基础：
滤光片
红宝石
694.3nm
石英晶体 347.15nm 底片
非线性光学这个新学科的出现！ppt课件源自8非线性光学的发展历史
非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期
1961～1965年：非线性光学效应大量而迅速地出现：
光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸 收、光束自聚焦以及受激光散射等。
I out 光学双稳态
ppt课件
21
非线性光学的发展历史
70年代中期发现利用四波混频可以实现相 位共轭，这是非线性光学中一个重要的发 现。
70年代初，光学克尔效应得到实验验证。
1976年，观察到由于折射率随光强变化产生的光学 双稳态效应，从而开始了无论在物理上还是在应用 上都是十分重要的非线性光学研究的一个分支：光 学双稳态的研究。
ppt课件
光通信必读优秀书籍
非线性光学部分介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以至于更高次项有关，这种关系称为非线性。
凡是与非线性有关的光学现象称为非线性光学现象，属于非线性光学的研究内容。
非线性光学一方面研究光辐射在非线性介质中传播时由于和介质的非线性相互作用自身所受的影响，另一方面则研究介质本身在光场作用下所表现出的特性。
在光通信中，主要是进入高速通信，10g，尤其是40G，随着入纤光功率的增强，非线性效应逐渐显现，系统设计必须加以考虑这方面的影响，于是在40G里面变出现了形形色色的编码。
以下切入正题1、《Nonlinear Fiber Optics》和《Applications of Nonlinear Fiber Optics》Agrawl ，这2本书从书名大家应该也可以看出是偏重于光纤通信应用的，目前第一个已经到第四版，第二个为第二版了，包括中译本，论坛都有，大家可以搜索下就可以都看到了。
... =nonlinear%2Boptics... =nonlinear%2Boptics2、Boyd 的《nonlinear optics》3rdW. Boyd教授在2002年被任命为Rochester大学 M. Parker Givens Professor of Optics，lz发的应该是第二版，该书1992年第一版，第二版在第一版的基础上增加了很多新内容，并对以前的内容做了不少修订，在2008年的4月，该书又出了第三版。
整体来说，该书内容比较深，学校里的高年级研究生和一般研究人员可参考。
今年5月份曾代表美国光学学会来南京开会下载链接：... =nonlinear%2Boptics3、华裔学者沈元镶的《非线性光学原理》沈是这方面非常牛b的，他的导师算是非线性光学方面的开创者吧，并因此获得了诺贝尔奖。
工作单位：美国伯克利加州大学简介：美国物理学家。
1956年毕业于台湾大学。
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距离 。
光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示
设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，输出光功率Po为
P0Pi exp(L)
习惯上的单位用dB/km，损耗系数
dB1L0lgP P0i (dB/km )
13
1. 损耗的机理
光
纤
损
耗
吸
收
损
耗
杂
质
本
征
吸
收
紫 红
外 外
16
散射损耗
散射损耗是光纤中由于某种远小于波长的不均匀性（折射率 不均匀性、掺杂粒子浓度不均匀性等）引起的对光的散射所 造成的光功率损耗。
由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比，所以光 纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。
17
光纤的传输特性：光纤色散
色散：光纤中的光信号由不同成分（如不同模式、不同 频率）组成， 在传输过程中，各种频率成分或各种模 式成分的传播速度不同，引起信号脉冲展宽、波形失真 的物理现象。
自相位调制、光孤子等。
4
绪论
光纤通信概念 光纤结构与原理：TIR/PBGF 光纤制作方法：MCVD/PCVD 光纤传输特性：损耗、色散、偏振 光纤非线性效应：
5
一.光纤通信
光纤通信（optical fiber communication） 是以激光作为信息的载波信号，并以光 导纤维来传递信息的通信系统。
非线性光纤光学
闫培光 2010.3
上课思想和参考教材
上课欢迎讨论，相互进步！ 涉猎！多学科交叉型人才。
光纤通信（第二版）：原荣编著 非线性光纤光学：
2
3
讲解内容：
光纤通信课程：简单回顾，深入剖析 涉及：光纤，半导体激光器、光电检测器、
光无源器件、波分复用技术等。 非线性光纤光学：重点学习，深入了解。 涉及：脉冲在光纤内传输、群速度色散、
MCVD法 PCVD法
11
四.光纤的传输特性
产生信号畸变的主要原因是光纤中 存在色散，影响信号在光纤内传输 距离的是损耗，因此损耗和色散是 光纤最重要的传输特性：
损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量和传输
距离
12
光纤的传输特性：光纤损耗
损耗的存在
光信号幅度减小
限制系统的传输
7
单、双包层结构
8
导光原理
全内反射：
光子带隙：指某一频率范围的波不能在此周期性 结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这 一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究 范围已扩展到微波与声波波段。
周期结构可以通过缩放尺寸关系扩展至很宽的频 率范围，甚至到毫米波和微波波段
9
10
三.制作方法
****小知识点 光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，脉冲展宽导致了脉冲与 脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误， 造成差错。 为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从 而减少了通信容量。 另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越 严重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。
色散展开与高阶色散系数求解
23
波导色散的再介绍
Dw()c
d2neff
d2
特点：改变光纤的折射率分布和剖面结构参数，可 以改变波导色散的值，从而在所希望的波长上实现 材料色散和波导色散的代数和为零。
材料色散 总色散
波导色散
1.31m 阶跃单模光纤的色散特性
24
基于色散形成的光纤分类
从通信上考虑，要求尽可能损耗小、色散小！
18
脉冲展宽（Pulse Spreading）
T T
Pulse from zero-order mode
T
Pulses from other modes
T T
Pulse from highest-order mode
Resulting pulse time
19
色散产生的根源是： 光子与介质的束缚电子的特征谐振频率有 关。 共振处：强烈吸收； 远离共振处：也受影响。
%%Si C1 = 10.6684293; C2 = 0.301516485; C3 = 0.003043475; C4 = 1.13475115; C5 = 1.54133408; C6 = 1104.0
Dw()
c
d2n
d2
作业：Matlab编程序计算色散 22
*波导色散：同一光子在不同口径的管道中爬行！
*极化色散：光子的偏振态，快慢轴概念。
21
光纤材料色散方程——Sellmeier方程
Sellmeier方程：
n2 - 1 = C1λ2/(λ2-C2) + C3λ2/(λ2-C4) + C5λ2/(λ2-C6)
%%SF6 glass C1 = 1.72448482; C2 = 0.0134871947; C3 = 0.390104889; C4 = 0.0569318095; C5 = 1.04572858; C6 = 118.557185
ITU-T是国际电信联盟，电信标准化部门， 成立于1993年，它的前身是国际电报和电话咨询委员 会（CCITT）。ITU-T研究和制订除无线电以外的所有 电信领域标准，已通过的建议书有2600多项。
是人类通信史上的一大突破，已成为信 息社会的神经系统。
直接造就了信息社会！直接导光原理
光纤（Optical Fiber）是“光导纤维”的 简称，是由中心的纤芯和外围的包层同轴 组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率n1比包 层n2稍高，光能量主要在纤芯内传输。
吸 吸
收 收
吸
收
过
渡
氢 金
氧 属
根 离
吸 子
收 外
原子缺陷吸收
吸
收
散
射
损
耗
结
构
不
瑞 完
利 善
散 引
射 起
损 的
耗 散
射
损
耗
弯
曲
损
耗
光 光
纤 纤
弯 微
曲 弯
损 损
耗 耗
14
吸收损耗
红外吸收和紫外吸收 产生吸收的原因是？
15
杂质吸收
光纤中含有过渡金属离子：铁、镍、铜、锰、 铬、钒、铂等和水的氢氧根离子。
20
色散的种类
✓ 模式色散又称模间色散
✓ 材料色散
✓ 波导色散 ✓ 极化色散
光纤线路
传播快
传播慢
*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。单模光纤中
只传输基模（ HE 11模），单模光纤中不存在模式色散。
*材料色散：不同材料对不同波长的折射率不同，故而速度不同。