光纤的非线性光学效应PPT精选文档
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非线性光纤光学 第五章光孤子 ppt课件
线性稳定性分析
✓ 稳态解 忽略损耗，考虑稳态情况下连续波在光纤中的传输情况：
iA z122T 2A2|A|2 A
对于连续波，入射端振幅与T无关，并认为在光纤内传输时仍保 持与时间无关，可以得到方程的稳态解为
A P0 exp(iNL)
入射功率 NL P0z SPM感应的非线性相移
上式表明，连续波在光纤中传输时除了获得一个与功率有关的相移 （和由于光纤损耗引起的功率减小）外，其他参量保持不变。 ✓ 微扰的影响
➢ 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，
N2 LD
P0T02
LNL
2
±1，取决于GVD的正负 孤子阶数，无量纲的量
通过引入 uNU LDA，可以消去方程中的参量N，
并取GVD为负的情况，sgn＝-1，得到非线性薛定谔方程的标
准化形式：
i
u
1 2u
22
u2u0
该方程可以用逆散射方法求解，主要的结果如下：
设入射脉冲的初始形式满足 u(0, )N seh(c)
将实部和虚部分离，可以得到关于V和φ的两个方程，
V 1 2 2V 21 2V 2V30
V1V2 0 2 2
可以设相位φ与τ无关，因此式中∂φ/∂τ有关的项为零，且∂φ/∂τ变成dV/ dτ 。从第一个式子看出，要满足V与ξ无关的条件，∂φ/∂ξ必须等于常数， 因此φ=Kξ的形式，式中K是常数。因此V满足
✓ 稳态解 忽略损耗，考虑稳态情况下连续波在光纤中的传输情况：
iA z122T 2A2|A|2 A
对于连续波，入射端振幅与T无关，并认为在光纤内传输时仍保 持与时间无关，可以得到方程的稳态解为
A P0 exp(iNL)
入射功率 NL P0z SPM感应的非线性相移
上式表明，连续波在光纤中传输时除了获得一个与功率有关的相移 （和由于光纤损耗引起的功率减小）外，其他参量保持不变。 ✓ 微扰的影响
➢ 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，
N2 LD
P0T02
LNL
2
±1，取决于GVD的正负 孤子阶数，无量纲的量
通过引入 uNU LDA，可以消去方程中的参量N，
并取GVD为负的情况，sgn＝-1，得到非线性薛定谔方程的标
准化形式：
i
u
1 2u
22
u2u0
该方程可以用逆散射方法求解，主要的结果如下：
设入射脉冲的初始形式满足 u(0, )N seh(c)
将实部和虚部分离，可以得到关于V和φ的两个方程，
V 1 2 2V 21 2V 2V30
V1V2 0 2 2
可以设相位φ与τ无关，因此式中∂φ/∂τ有关的项为零，且∂φ/∂τ变成dV/ dτ 。从第一个式子看出，要满足V与ξ无关的条件，∂φ/∂ξ必须等于常数， 因此φ=Kξ的形式，式中K是常数。因此V满足
光纤的色散与非线性效应ppt
Dispersion Shifted Fibre
• dispersion shifted fibre is designed with a dispersion zero point at around 1550 nm. • However, it is not always possible or indeed desirable： • In many cases we can't have DSF because the fibre we must use is already installed. • four-wave mixing effectively prohibit the use of DSF.
是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。
三种光纤色散情况比较
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95% 18
正常色散区
DWDM 波长范围
反常色散区
色散 0 ps/nmkm 1310nm 波长 1550nm 色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
Polarisation Mode Dispersion (PMD)
• There is usually a very slight difference in RI for each polarisation. It can be a source of dispersion, usually less than .5 ps/nm/km. • The effect is to cause a circular or elliptical polarisation to form as the signal travels along the fibre. • Dispersion resulting from the birefringent properties of fibre is called “Polarisation Mode Dispersion” (PMD).
非线性光纤光学第一章-绪论ppt课件.ppt
折射率分布函数
✓归一化频率 归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。
V ak0
n12 n22
12
2 a
NA
2
an1
2
V值越大，能够传播的模式越多！ 可传播的模式数
M 1V2 2
V 2.405 时，只传输基模。
归一化频率与归一化传输常数的关系曲线
✓单模光纤截止波长
当V<2.405时，光纤只能传输基模一个模式，其他模式 均被截止。满足单模传输条件的最小波长称为截止波长，
光纤和通信
➢ 古希腊人用烽火来传播特洛伊战争的消息—最早的光通信
➢ 1953 年 ， 在 伦 敦 皇 家 科 学 技 术 学 院 工 作 的 Narinder Kapany开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的包层纤维， 这也就诞生了今天所用光纤的结构，“光纤”这个词就是 Kapany给出的。
➢ 1960年 Mainman 制作出第一台激光器才引发人们对光 通信的关注。但是最初光纤的损耗很大，只传输3m就可 以损失掉一半的能量，传输20m就只剩下1％。用在胃部 检查还可以,用于光通信不可能。
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
<max
A B
>max
B
>c
< c 900_ c
包层 纤芯
涂覆层
光纤的基本结构
✓ 特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并
《光纤的非线性》课件
超快光纤非线性现象的研究
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。
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。
光纤的非线性
Optical fiber communications 1-2
2019/3/10
Copyright Wang Yan
二阶非线性系数d导致产生二次谐波及和频等一系列非 线性效应。但它仅缺乏分子量级反转对称的介质才不 为0。对 SiO2 对称分子石英玻璃的d±0，所以光 纤通常不表现出二阶非线性效应，主要讨论其三阶非 线性效应。 A.非线性折射：折射率佼核与光强（弹性效应） 2 2 总折射率：n ( , E ) n( ) n E
Optical fiber communications 1-1
2019/3/10
4.光纤的非线性
Copyright Wang Yan
一、非线性效应 线性介质： P 0 E 非线性介质（强场）：
P 0 E 2dE 4
2
( 3)
E
d：二阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型 值为 d 10 24 ~ 10 21 ( 3) 三阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典 ( 3) 10 34 ~ 10 29 型值为
弹性：自相关调制（SPM:self phase modulation） 交叉相关调制（XPM:Cross phase Modulation）
Optical fiber communications 1-3
2019/3/10
Copyright Wang Yan
B、受激非弹性散射：非线性介质有能量交换 1.受激拉曼散射：Stimulated Raman Scattering—— SRS 2.受激布里渊散射： Stimulated Brillouin Scattering——SBS C参量过程： 四波混频：FWM-Four Wave Mixing
光纤的非线性光学效应共28页
光纤的非线性光学效应
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 3奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 3奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
光纤的色散与非线性效应
光纤的，脉冲的宽度被展宽
模间色散(Mode Dispersion) 色度色散(Cromatic Dispersion) 偏振色散(Polarization Mode Dispersion)
劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了电中继器之间的距离
色散对传输的限制
• Dispersion = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
色散补偿技术
• 控制光源线宽 • 色散位移光纤 • 色散补偿光纤 • 中途谱反转 • 啁啾光纤光栅
Control of Spectral Width
• Simple FP laser: over 5 nm; • External cavity DBR laser: < .01 nm • Modulation adds to the bandwidth of the signal,
三种光纤色散情况比较
18
色散 0 ps/nmkm
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95%
正常色散区
DWDM 波长范围
反常色散区
1310nm
1550nm
波长
色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
Calculating Dispersion
• in a typical single-mode fibre using a laser with a spectral width of 6 nm over a distance of 10 km : Dispersion = 17ps/nm/km × 6 nm × 10 km = 1020 ps
Waveguide Dispersion
模间色散(Mode Dispersion) 色度色散(Cromatic Dispersion) 偏振色散(Polarization Mode Dispersion)
劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了电中继器之间的距离
色散对传输的限制
• Dispersion = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
色散补偿技术
• 控制光源线宽 • 色散位移光纤 • 色散补偿光纤 • 中途谱反转 • 啁啾光纤光栅
Control of Spectral Width
• Simple FP laser: over 5 nm; • External cavity DBR laser: < .01 nm • Modulation adds to the bandwidth of the signal,
三种光纤色散情况比较
18
色散 0 ps/nmkm
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95%
正常色散区
DWDM 波长范围
反常色散区
1310nm
1550nm
波长
色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
Calculating Dispersion
• in a typical single-mode fibre using a laser with a spectral width of 6 nm over a distance of 10 km : Dispersion = 17ps/nm/km × 6 nm × 10 km = 1020 ps
Waveguide Dispersion
光纤的非线性38页PPT
▪ 对色散光杠杆：56m2
Copyright Wang Yan
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-9 15.07.2021
四、Self -Phase Modulation
A、单色平面波： E ( r ,t) E ( z ,t) E co 0 t s0 z ( )
Optical fiber communications
1-10 15.07.2021
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
3
P N(r L 1 ,t) (40
(3 )E 3)E c3 o (0 ts0z)
0
0 c
1 2(1) 3 (3)E2 4
n1 2(1) 0nc0
信号频率的瞬间变化：
Copyright Wang Yan
i
d N L dt
3 8n2
dE 2 (3)Z
dt
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-15 15.07.2021
4、The leading edge:
d E2 0
dt
i 0 红移
N LnLk0L (E 122E 22)
XPM — 引起光脉冲的频谱不对称的展宽 假定WDM中信号：
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-17 15.07.2021
非线性电极化：
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications
1-5
Copyright Wang Yan
Copyright Wang Yan
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-9 15.07.2021
四、Self -Phase Modulation
A、单色平面波： E ( r ,t) E ( z ,t) E co 0 t s0 z ( )
Optical fiber communications
1-10 15.07.2021
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
3
P N(r L 1 ,t) (40
(3 )E 3)E c3 o (0 ts0z)
0
0 c
1 2(1) 3 (3)E2 4
n1 2(1) 0nc0
信号频率的瞬间变化：
Copyright Wang Yan
i
d N L dt
3 8n2
dE 2 (3)Z
dt
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-15 15.07.2021
4、The leading edge:
d E2 0
dt
i 0 红移
N LnLk0L (E 122E 22)
XPM — 引起光脉冲的频谱不对称的展宽 假定WDM中信号：
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-17 15.07.2021
非线性电极化：
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications
1-5
Copyright Wang Yan
非线性光纤光学-第六章-偏振效应PPT课件
将上面的方程用这四个参量表示，可得
第16页/共40页
dS0 0 dz
dS2 dz
( )S3
2
3
S1S3
d S1 dz
2
3
S2S3
d S3 dz
( )S2
易得：S02
S12
S
2 2
S32
将以上方程写成一个单一的矢量方程形式
dS W S dz
WL (,0,0)
W = WL WNL WNL (0, 0, 2 S3 3)
假设假设c0只有当只有当pcrcr时才能在光纤正常色散区产生调制不稳定时才能在光纤正常色散区产生调制不稳定性当这一条件满足时增益为性当这一条件满足时增益为连续光沿慢轴偏振的情形连续光沿慢轴偏振的情形调制不稳定性仍可以在光纤正常色散区产生调制不稳定性仍可以在光纤正常色散区产生调制不稳定性增益为调制不稳定性增益为cr43高双折射光纤高双折射光纤对于高双折射光纤为得到稳态解可将方程对于高双折射光纤为得到稳态解可将方程61226122和和61236123中的时间导数项设为零并忽略光纤损耗则稳态解为中的时间导数项设为零并忽略光纤损耗则稳态解为auikztivikzt微扰频率波数入射连续光与慢轴成入射连续光与慢轴成4545偏振的情形
第9页/共40页
• 应用举例
✓克尔光闸：用一束强泵浦光感应的非线性相移来改变弱探测波在非线性介质中的传输， 原理如下图所示：
探测光的x和y分量之间的相位差为
泵浦光强
L NL
2
L
nL
n2B
EP
2
线性双折射
克尔系数 n2B 2n2 (1 b)
第10页/共40页
探测光的透射率和相位差的关系为
(3)
【优】非线性效应及举例PPT资料
受激布里渊散射SBS
SBS是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果，在使用窄谱 线宽度光源的强度调制系统中，一旦信号光功率超过受激 布里渊散射SBS 的门限时（SBS的门限较低，对于1550nm 的激光器，一般为7~8dBm ），将有很强的前向传输信号 光转化为后向传输，表现为信号光功率抖动及光纤损耗显 著变大。
（FWM）等。SPM是某光信道激发的光纤非线性折射率对该信道本身产
生的附加相位调制，XPM和FWM是某个信道受邻近信道的非线性干扰。
这些效应是造成传输代价的主要原因。
非线性效应一般在WDM系统上和长跨距系统上反映较多，因需采用
EDFA进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大
大增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因数之一。
信道越密集、传输跨段数越多，XPM效应对DWDM系统的影响越大。
非线性效应一般在WDM系统上和长跨距系统上反映较多，因需采用EDFA进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性
各向同性的介质如玻璃，石蜡，水，硝基苯等， 效从应本大 质大上增说加，，任成何为物影质响都系是统由性分能子，、限原制子中等继基距本离组的成主单要元因组数成之。一。 在强电场作用。由于其分子受到电力的作用而 光纤中的受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS 都是激光光波通过光纤介质时，被其分子振动所调制的结果，而且SBS 和SRS都具 发生取向(偏转)，呈现出各向异性的光学性质， 有增益特性，在一定条件下，这种增益可沿光纤积累。
的电感应双折射现象称为克尔效应。 能的恶化程度，降低了对传输系统系统功率平坦度的要求，使传输距离充分拓展。
仅有一个单信道且没有线路放大器的系统中，信号功率大于1W时，功率会受到这种现象的损伤，在较宽信道间隔的多信道系统中，较
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3பைடு நூலகம்
非线性效应概述
SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道 的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非 线性过程对某些信道提供增益而对另一些信 道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生 串扰。
SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使 脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲 展宽，尤其在高速系统中。
在光纤中传输中光脉冲，脉冲从前到后频率有变化叫做啁啾。
6
2. 有效面积Aeff
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。
Aeff
r r
Ir,rdrd2 I2r,rdrd
模场分布为高斯分布时,Aeff=W2
普通单模光纤的Aeff80m2 色散位移光纤的Aeff55m2
3、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。 •阈值功率与光源线宽有关，光源线宽越窄，阈 值功率越低
11
二、受激布里渊散射（SBS）（3）
4、减小SBS对系统影响的主要措施 •减低入纤功率（减小中继间隔） •增加光源线宽（色散限制）
5、一般情况下，SBS在光纤通信系统中是一种有 害的因素，应注意减小。但由于它能通过将具有合 适波长的泵浦场的能量传递给另一波长的光场，使 该光场得到放大，所以能用于制造布里渊放大器。 但由于其增益谱宽窄，放大器的带宽也很窄。
• 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。比如 开发放大器、调制器等新型器件。
• 导致新的学科分支—非线性光纤光学。
2
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)
1、机理
SBS可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作 用。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。
2、阈值功率
阈值功率Pth与光纤的衰减系数、光纤有效长度Leff、布里 渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：
Pth2A 1eff/gBLeff P th21(w2)/gB
L足够长时，Leff 1/，而Aeff可用w2代替，w为模场半径
10
二、受激布里渊散射（SBS）（2）
峰值增益gB510-11m/W，这样Pth可低至1mW，特别是 在1550nm最低损耗处，将极大地限制光波系统的注入功率。 但以上估计忽略了与入射光有关的谱宽效应，在典型系统中 阈值功率可增大至10mW或更高。
14
三、受激喇曼散射（SRS）（3）
2、特点
•增益带宽宽（约125nm），影响其它信道功率 •WDM系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信 号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。
1 2 3 4
fiber
1 2 3 4
15
三、受激喇曼散射（SRS）（4）
2.6 光纤中的非线性光学效应
2.6.1 概述 2.6.2 受激非弹性散射
•受激布里渊散射(SBS) •受激喇曼散射(SRS) 2.6.3 非线性折射率 •自相位调制(SPM) •互相位调制(XPM) •四波混频(FWM)
1
2.6.1 概述
• 在高强电磁场中任何介质对光的效应都会变成非线 性，光纤也不例外。
8
受激非弹性散射
•在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射 和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一 旦入射光功率超过阈值，散射光强将指数增 长。是一种阈值行为。 •阈值功率：在长度为L的光纤输出端因非弹 性散射而损耗了50%的输入功率，这个输入 功率叫做阈值功率。
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二、受激布里渊散射（SBS）（1）
Aeff
色散补偿光纤的Aeff20m2
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2.6.2 受激非弹性散射
一、概述 •受激非弹性散射：散射光频率下移，光场把部 分能量传递给介质。 •一个高能量光子（通常称为泵浦）被散射成一 个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生能量 为两光子能量差的另一个能量子 •SBS参与的能量子为声学声子，只有后向散射 •SRS参与的能量子为光学声子，以前向散射为 主，但也有后向散射
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。
Leff
1 P0
L
P(z)dz
0
Lezdz1eL
0
实际传输距离
L
P(0)
Leff
当L很大时，Leff 1对于损耗为0.2dB/km的光纤,Leff约20km
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三、受激喇曼散射（SRS）（2）
1、功率阈值
Pth16Aef f/gRLef f
gR--喇曼增益
Pth16(w2)/gR
L e f2 f k,0 A m e f5 f m 0 2 ,g R 7 1 1 c 0 1 /W m ,P th 5m 6
SRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功 率一般低于10mW，因此SRS一般对光纤损耗不 起作用。
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非线性效应概述
• 所有这些非线性中的任意一种效应引起信号损 伤时，需要获得一些附加功率，以维持BER与 原先无非线性效应时一样。这部分附加功率（以 分贝为单位）就是相应非线性效应的功率代价。 •非线性效应与传输距离和纤芯内场强有着密切 的关系，为此引入两个基本参量：有效长度和有 效面积。
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1. 有效长度Leff：
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三、受激喇曼散射（SRS）（1）
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。 SRS是非线性光纤光学中一个很重要的非线性过 程，它可使光纤成为宽带喇曼放大器和可调谐喇 曼激光器，也可使某信道中的能量转移到相邻信 道中，从而严重影响多信道光通信系统的性能。
非线性效应概述
SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道 的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非 线性过程对某些信道提供增益而对另一些信 道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生 串扰。
SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使 脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲 展宽，尤其在高速系统中。
在光纤中传输中光脉冲，脉冲从前到后频率有变化叫做啁啾。
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2. 有效面积Aeff
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。
Aeff
r r
Ir,rdrd2 I2r,rdrd
模场分布为高斯分布时,Aeff=W2
普通单模光纤的Aeff80m2 色散位移光纤的Aeff55m2
3、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。 •阈值功率与光源线宽有关，光源线宽越窄，阈 值功率越低
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二、受激布里渊散射（SBS）（3）
4、减小SBS对系统影响的主要措施 •减低入纤功率（减小中继间隔） •增加光源线宽（色散限制）
5、一般情况下，SBS在光纤通信系统中是一种有 害的因素，应注意减小。但由于它能通过将具有合 适波长的泵浦场的能量传递给另一波长的光场，使 该光场得到放大，所以能用于制造布里渊放大器。 但由于其增益谱宽窄，放大器的带宽也很窄。
• 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。比如 开发放大器、调制器等新型器件。
• 导致新的学科分支—非线性光纤光学。
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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)
1、机理
SBS可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作 用。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。
2、阈值功率
阈值功率Pth与光纤的衰减系数、光纤有效长度Leff、布里 渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：
Pth2A 1eff/gBLeff P th21(w2)/gB
L足够长时，Leff 1/，而Aeff可用w2代替，w为模场半径
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二、受激布里渊散射（SBS）（2）
峰值增益gB510-11m/W，这样Pth可低至1mW，特别是 在1550nm最低损耗处，将极大地限制光波系统的注入功率。 但以上估计忽略了与入射光有关的谱宽效应，在典型系统中 阈值功率可增大至10mW或更高。
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三、受激喇曼散射（SRS）（3）
2、特点
•增益带宽宽（约125nm），影响其它信道功率 •WDM系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信 号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。
1 2 3 4
fiber
1 2 3 4
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三、受激喇曼散射（SRS）（4）
2.6 光纤中的非线性光学效应
2.6.1 概述 2.6.2 受激非弹性散射
•受激布里渊散射(SBS) •受激喇曼散射(SRS) 2.6.3 非线性折射率 •自相位调制(SPM) •互相位调制(XPM) •四波混频(FWM)
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2.6.1 概述
• 在高强电磁场中任何介质对光的效应都会变成非线 性，光纤也不例外。
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受激非弹性散射
•在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射 和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一 旦入射光功率超过阈值，散射光强将指数增 长。是一种阈值行为。 •阈值功率：在长度为L的光纤输出端因非弹 性散射而损耗了50%的输入功率，这个输入 功率叫做阈值功率。
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二、受激布里渊散射（SBS）（1）
Aeff
色散补偿光纤的Aeff20m2
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2.6.2 受激非弹性散射
一、概述 •受激非弹性散射：散射光频率下移，光场把部 分能量传递给介质。 •一个高能量光子（通常称为泵浦）被散射成一 个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生能量 为两光子能量差的另一个能量子 •SBS参与的能量子为声学声子，只有后向散射 •SRS参与的能量子为光学声子，以前向散射为 主，但也有后向散射
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。
Leff
1 P0
L
P(z)dz
0
Lezdz1eL
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实际传输距离
L
P(0)
Leff
当L很大时，Leff 1对于损耗为0.2dB/km的光纤,Leff约20km
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三、受激喇曼散射（SRS）（2）
1、功率阈值
Pth16Aef f/gRLef f
gR--喇曼增益
Pth16(w2)/gR
L e f2 f k,0 A m e f5 f m 0 2 ,g R 7 1 1 c 0 1 /W m ,P th 5m 6
SRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功 率一般低于10mW，因此SRS一般对光纤损耗不 起作用。
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非线性效应概述
• 所有这些非线性中的任意一种效应引起信号损 伤时，需要获得一些附加功率，以维持BER与 原先无非线性效应时一样。这部分附加功率（以 分贝为单位）就是相应非线性效应的功率代价。 •非线性效应与传输距离和纤芯内场强有着密切 的关系，为此引入两个基本参量：有效长度和有 效面积。
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1. 有效长度Leff：
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三、受激喇曼散射（SRS）（1）
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。 SRS是非线性光纤光学中一个很重要的非线性过 程，它可使光纤成为宽带喇曼放大器和可调谐喇 曼激光器，也可使某信道中的能量转移到相邻信 道中，从而严重影响多信道光通信系统的性能。