非线性光纤光学第一章-导论要点

非线性光纤光学原理及应用文双春唐志祥2009年2月17日星期二1WhystudyOpticalFiberCommunication?一代材料，一代系统！作为信息的物理载体，新一代信息材料的广泛应用将直接推动整个信息系统的更新换代！2现今通信系统的发展困境摩尔经验法则预示着微电子技术正走向物理上和技术上的极限。光子代替电子作为信息的载体，不仅可以克服微电子器件发展的物理极限，而且在信息容量、传播速度、能量损耗、互连能力和并行能力等方面的性能都有很大的提升。3光子电子传播速度108m/s104-105m/s数据传播速率光子远远大于电子载体带宽1012Hz105Hz载流子相互作用弱强4电子通信系统的核心是如何控制电子的运动状态。与之类似，全光通信系统的关键就在于如何控制光子运动。然而，设计出一种类似电子晶体的光子器件来控制光子的运动却是困难重重，这成为全光通信系统应用的绊脚石。光纤的使用已经使我们朝以光子作为信息载体的通信系统迈出了可喜的一步，但信息的输入、输出以及处理等核心部分仍然依靠传统电子器件！5光子晶体、超常材料等新型光子材料的出现将有可能改变这一现状。6D.K.MynbaevandL.L.Scheinersay,“你要成为电信业某个领域的专业人员的决定----这也就意味着你要成为光纤通信领域内的专业人员----预示着你职业生涯的美好未来。我们的经验已经表明，即使是对于刚毕业的大学生而言，他所面临的问题不是找工作，而是如何在很多已经很好的工作中找一个最好的工作。现在，电信业中的企业相互竞争工艺专业、工程师和产品经理，他们甚至比那些急于寻找工作的求职者表现得更积极。所以，光纤技术的专业人员属于美国工业中最高收入的阶层。”《光纤通信技术》，机械工业出版社，200271.《大学物理》课程有关振动和波,电磁学和光学部分;2.《电磁场与电磁波》;3.《光纤通信》;4.通信基础课如《信号与系统》、《数字信号处理》(option)；5.一门编程语言(我们用CPP)，或一种数学工具如Matlab，Mathematica;6.一种绘图软件如Origin.你应该具备什么基础?Isuggestthatyouhaveequippedyourselfwiththese.8Overallgoalsofthiscourse掌握光脉冲在光纤中传播的规律：现象；现象背后的物理机制；这些现象对通信系统的影响及其控制方法。掌握光脉冲在光纤中的传播特性及其在光纤通信中的应用传播特性器件原理器件9HowdoIteach？讲授讲方法：学习方法，研究方法。讨论Sometimes,Iwouldliketodiscusssomequestionswithyou.Toaskquestionsandexpressyourideas!And,becauseIwilltailortheclasstoyourbackground.(Givebackgroundsurvey.)10HowdoIteach？给任务A.Youshouldequipyourselveswiththeprerequisitecourses;B.YoumustpreparethecontentsIwillteachnexttime;C.Iwillalsoattempttogiveanintuition,leavingthemorequantitativeresultsforthehomeworkandreading.11Howdoyoustudy?A.来上课（Whybothercomingtoclass?）；B.去练习（查文献+推导+完成作业+模拟）;C.相互之间多交流、多合作。多动脑、勤动手多读文献，少qq(不要跟陌生人说话！！！)。12第一章导论Aboutopticalfibers〇认识光纤；〇了解光纤特性:☆线性特性:吸收(损耗,衰减),色散;☆非线性特性:自相位调制,受激散射,四波混频.〇了解光纤通信Aboutlight(self-studying)13ThemetricsystemPrefixes:Milli(m)10-3Micro(µ)10-6Nano(n)10-9Pico(p)10-12Femto(f)10-15Atto(a)10-18Kilo(k)10+3Mega(M)10+6Giga(G)10+9Tera(T)10+12Peta(P)10+15SmallBigWe’llneedtoreallyknowthemetricsystembecausethepulsesareincrediblyshortandthepowersandintensitiescanbeincrediblyhigh.Exa(E)10+1814Remembersomeusefulnumbers玻璃中的光速v=c/n其中c=3x108m/s,n~1.5频率×波长=光速e.g.for1.5mm,frequency=200THz波长用microns(微米mm)andnanometres(纳米nm)来衡量频率用吉赫兹（GHz，109Hz）来衡量AWDMchannelspacingat1.55mmmightbe1nm-whatisthisinfrequency?About125GHz0.8nm~100GHz-wellworthremembering!Anopticalamplifierhasapassbandof30-40nmie~4THz脉冲宽度用皮秒(ps,10-12s)或飞秒(fs,10-15s)来衡量15protectivepolymersheath光纤是什么？silicacladdingn2~1.45losses~0.2dB/km(amplifiersevery50–100km)butthisis~asgoodasitgets…[R.Ramaswami&K.N.Sivarajan,OpticalNetworks:APracticalPerspective]光纤就是玻璃丝Today,morecomplexprofilestotunedispersion“high”indexdoped-silicacoren1~1.46“LP01”confinedmodefielddiameter~8µm16121nnn•纤芯—包层相对折射率差22120120(),2Vkannk•归一化频率单模条件:V2.405•典型多模光纤芯径a=25–30µm•单模a5µm(△=0.003)•包层半径b=62.5µm17材料和制造纤芯掺杂GeO2和P2O5可以提高纯石英的折射率包层掺杂硼和氟可以降低纯石英的折射率光纤放大器：利用ErCl3和Nd2O3这样的掺杂物在石英光纤的纤芯中同时掺入稀土离子——Al2O3可以控制光纤放大器的增益谱18几种单模光纤G.652单模光纤满足ITU-T.G.652要求的单模光纤，常称为非色散位移光纤(NDSF)，其零色散位于1.3um窗口低损耗区，工作波长为1310nm（损耗为0．36dB／km）。我国已敷设的光纤光缆绝大多数是这类光纤。随着光纤光缆工业和半导体激光技术的成功推进，光纤线路的工作波长可转移到更低损耗（0.22dB／km）的1550nm光纤窗口。G.653单模光纤满足ITU-T.G.653要求的单模光纤，常称色散位移光纤（DSF＝DispersionShifledFiber），其零色散波长移位到损耗极低的1550nm处。这种光纤在有些国家，特别在日本被推广使用，我国京九干线上也有所采纳。美国AT＆T早期发现DSF的严重不足，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。但在日本，将色散补偿技术*用于G.653单模光纤线路，仍可解决问题，而且未见有日本的G.655光纤，似属个谜。G.655单模光纤满足ITU-T.G.655要求的单模光纤，常称非零色散位移光纤或NZDSF（＝NonZeroDispersionShiftedFiber）。属于色散位移光纤，不过在1550nm处色散不是零值（按ITU-T.G.655规定，在波长1530-1565nm范围对应的色散值为0.1-6.0ps／nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应。商品光纤有如AT&T的TrueWave光纤，Corning的SMF-LS光纤（其零色散波长典型值为1567.5nm，零色散典型值为0.07ps／nm2.km）以及Corning的LEAF光纤。我国的“大宝实”光纤等。LEAF光纤商品名为LEAF（＝LargeEffectiveAreaFiber）的单模非零色散位移光纤，工作在1550nm窗口；与标准的非零色散位移光纤相比，具有较大的“有效面积”，因而较大的功率承受能力，适于使用高输出功率掺饵光纤放大器，即EDFA和密集波分复用（DWDM）技术的网络之用。块状石英1.27μm19FiberTypesNDSFNZ-DSFLEAFCoreoDispersion(tolerance)XPMCrossPhaseModulation(tolerance)PMDPolarizationModeDispersion(tolerance)FWMFourWaveMixing(tolerance)LaunchPower80mm250-55mm280mm21310nm1560nm1530nmor1560nmbetterworse50-55mm2DSF1550nm1530nmCorningLSFLucent’sTruewave(criticalproblemwithWDM)20模式(mode)是什么?传输介质中电磁波的一种电磁场分布样式。由与电磁波传播方向垂直的平面内一种特殊的场图形所表征。光纤中的传播模的传播常数不能为任意值，它们是特征方程的一些解，取分离值，而特征方程是由这些模场必须满足的Maxwell方程组和一定的边界条件所决定的。21光纤模式22ErE01CoreCladdingTheelectricfielddistributionofthefundamentalmodeinthetransverseplanetothefiberaxisz.Thelightintensityisgreatestatthecenterofthefiber.IntensitypatternsinLP01,LP11andLP21modes.(a)Theelectricfieldofthefundamentalmode(b)TheintensityinthefundamentalmodeLP01(c)TheintensityinLP11(d)TheintensityinLP21?1999S.O.Kasap,Optoelectronics(PrenticeHall)光纤模式线性偏振模(LPmn):m是角坐标在从0到2π弧度间变化时出现最大（或最小）强度值次数的一半；n是径坐标从0到无穷远变化时出现的最大强度值的次数。23单模光纤和多模光纤405.222210cVnnakV单模条件：单模光纤:传播一个模多模光纤:可传播多个模24光纤特性线性特性损耗（loss）色散(dispersion)偏振(polarization)非线性特性自相位调制（SPM）交叉相位调制（XPM）四波混频（FWM）受激Raman散射（SRS）25光能走多远?吸收(损耗)&色散AttenuationeffectAttenuation+chromaticdispersionLighttransmissionislimitedbyattenuationanddispersionDistancePerfectpulseRealpulse光能走多远取决于几个参数:吸收(损耗),色散,非线性26光纤损耗0.10.20.30.40.50.6波长(nm)衰减(dB/km)1200110016001700140013001500CSLS:1440~1530nmC:15