2-6光纤的非线性光学效应

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 光纤也不例外。 性，光纤也不例外。 • 尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤 尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱， 芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长， 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， 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。 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 反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。 开发放大器、调制器等新型器件。 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。 导致新的学科分支—非线性光纤光学 非线性光纤光学。
一、自相位调制SPM
折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变 使传播常数增加了一附加项： 化，使传播常数增加了一附加项：
β
线性传输时 的传播常数
'
= β + γP
非线性 系数
光纤中传 输的功率
γ =
2π
λ
n2 A eff
光纤有效 截面积
由模场自己产生的非线性效应而引起的非线性相移 称为自相位调制 自相位调制， 称为自相位调制，信号光强的瞬间变化引起其自身 的相位调制。 的相位调制。
）（3 二、受激布里渊散射（SBS）（3） 受激布里渊散射（SBS）（
4、减小SBS对系统影响的主要措施 减小SBS SBS对系统影响的主要措施 •减低入纤功率（减小中继间隔） 减低入纤功率（减小中继间隔） •增加光源线宽（色散限制） 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 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。 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， 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 布里渊放大器。 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。 但由于其增益谱宽窄，放大器的带宽也很窄。
光纤中的非线性效应可分为两类: 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 受激非弹性散射： 将能量传递给介质产生的效应。包括： 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) (SBS)和受激喇曼散射 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 非线性折射率： 关性产生的效应。包括：自相位调制(SPM) (SPM)、 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) (XPM)和四波混频 互相位调制(XPM)和四波混频(FWM)
Aeff
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 受激非弹性散射：散射光频率下移， 分能量传递给介质。 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 一个高能量光子（通常称为泵浦） 个低能量的光子（斯托克斯光）， ），同时产生能量 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 SBS参与的能量子为声学声子 参与的能量子为声学声子， •SRS参与的能量子为光学声子，以前向散射为 SRS参与的能量子为光学声子 参与的能量子为光学声子， 主，但也有后向散射
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。 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。
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 附加功率， BER与 伤时，需要获得一些附加功率 以维持BER 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（ 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 非线性效应的功率代价。 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： 的关系，为此引入两个基本参量：有效长度和有 效面积。 效面积。
P(0)
L eff
1 = P0
∫
L 0
P ( z ) dz
=∫ e
0
L
−αz
dz =
1− e
−αL
α
实际传输距离
L
Leff
L 当L很大时， eff ≈ 1 α 对于损耗为0.2dB/km的光纤,Leff约20km 对于损耗为0.2dB/km的光纤,L 0.2dB/km的光纤 很大时，
2. 有效面积Aeff 有效面积A
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) 受激布里渊散射(SBS) •受激喇曼散射(SRS) 受激喇曼散射(SRS) 2.6.3 非线性折射率 •自相位调制(SPM) 自相位调制(SPM) •互相位调制(XPM) 互相位调制(XPM) •四波混频(FWM) 四波混频(FWM)
2.6.3 非线性折射率
在较高入射光功率下，纤芯折射率应表示为： 在较高入射光功率下，纤芯折射率应表示为：
n (ω , E
光场幅度 的有效值 或均方根
2
) = n (ω ) + n 2 E
2
线性折 射率
非线性折射率 Kerr系数 或Kerr系数
折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部分 折射率的非线性影响一般很小。 非线性效应都起源于非线性折射率。 非线性效应都起源于非线性折射率。
）（1 三、受激喇曼散射（SRS）（1） 受激喇曼散射（SRS）（
SRS： 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， 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 SRS是非线性光纤光学中一个很重要的非线性过 它可使光纤成为宽带喇曼放大器和可调谐喇 程，它可使光纤成为宽带喇曼放大器和可调谐喇 曼激光器， 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。 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 、 及 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。 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， 道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生 串扰。 串扰。 SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使 都只影响信号的相位， 和 都只影响信号的相位 脉冲产生啁啾， 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。 展宽，尤其在高速系统中。
受激非弹性散射
•在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射 在高功率传输时， 和受激布里渊散射能导致相当大的损耗， 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 旦入射光功率超过阈值， 是一种阈值行为。 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 阈值功率：在长度为L 性散射而损耗了50%的输入功率， 50%的输入功率 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。 功率叫做阈值功率。
SRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功 SRS的阈值功率较高。 的阈值功率较高 率一般低于10mW 因此SRS 10mW， SRS一般对光纤损耗不 率一般低于10mW，因此SRS一般对光纤损耗不 起作用。 起作用。
）（3 三、受激喇曼散射（SRS）（3） 受激喇曼散射（SRS）（
2、特点
•增益带宽宽（约125nm），影响其它信道功率 增益带宽宽（ 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 WDM系统中 系统中， 号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。 号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。
λ1 λ2 λ3 λ4
fiber
λ1 λ2 λ3 λ4
）（4 三、受激喇曼散射（SRS）（4） 受激喇曼散射（SRS）（
3、减小SRS对系统影响的主要措施 减小SRS SRS对系统影响的主要措施 •减低入纤功率（减小中继间隔） 减低入纤功率（减小中继间隔） •减小信道间隔 4、利用：喇曼光纤放大器 利用： 高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展， FRA的 高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为FRA的 实现奠定了坚实的基础。 实现奠定了坚实的基础。 FRA可以提供整个波长波段的放大。 FRA可以提供整个波长波段的放大。通过适当改 可以提供整个波长波段的放大 变泵浦激光波长， 变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带 光放大。 光放大。
）（1 二、受激布里渊散射（SBS）（1） 受激布里渊散射（SBS）（
1、机理
SBS可描述为泵浦光、 SBS可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作 可描述为泵浦光 可看作是一个泵浦光子的湮灭， 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。 光子和一个声学声子。
2
L足够长时，Leff ≈ 1/α，而Aeff可用πw2代替，w为模场半径 1/α 可用π 代替， 足够长时，
）（2 二、受激布里渊散射（SBS）（2） 受激布里渊散射（SBS）（
峰值增益g 峰值增益gB≈5×10-11m/W，这样Pth可低至1mW，特别是 m/W，这样P 可低至1mW 1mW， 1550nm最低损耗处 将极大地限制光波系统的注入功率。 最低损耗处， 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， 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。 10mW或更高 阈值功率可增大至10mW或更高。
2、阈值功率
阈值功率P 与光纤的衰减系数α 光纤有效长度L 阈值功率Pth与光纤的衰减系数α、光纤有效长度Leff、布里 渊增益系数g 和光纤的有效面积A 有关，可近似写为： 渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：
P ≈ 21Aeff / gB Leff th
Pth ≈ 21α (πw ) / g B
3、特点 •增益带宽窄（约10GHz），这说明SBS效应被 增益带宽窄（ 10GHz），这说明SBS ），这说明SBS效应被 约束在WDM系统的单个波长信道内。 WDM系统的单个波长信道内 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 阈值功率与光源线宽有关，光源线宽越窄， 值功率越低
）（2 三、受激喇曼散射（SRS）（2） 受激喇曼散射（SRS）（
1、功率阈值
gR--喇曼增益 --喇曼增益
P ≈ 16Aeff / gR Leff th
Pth ≈ 16α (πw ) / g R
2
Leff = 20km Aeff = 50µm2 , gR ≈ 7×10−11cm/W, P ≈ 560 , mW th
1. 有效长度Leff： 有效长度L
非线性对信号的影响完全随距离增加而增加。但是，由于 非线性对信号的影响完全随距离增加而增加。但是， 光纤损耗而带来信号功率连续下降， 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 实际上， 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。 率在一段光纤长度内为常数。
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， 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。 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A 表示。 是均匀分布的，为简单起见，采用有效面积Aeff表示。
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A eff
[∫ ∫ I (r , θ )rdrd θ ] =
r θ r
2
∫ ∫θ
I 2 (r , θ )rdrd θ
模场分布为高斯分布时,A 模场分布为高斯分布时,Aeff=πW2 普通单模光纤的A 普通单模光纤的Aeff≈80µm2 80µ 色散位移光纤的A 55µ 色散位移光纤的Aeff≈55µm2 色散补偿光纤的A 20µ 色散补偿光纤的Aeff≈20µm2