2-6光纤的非线性光学效应

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)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。•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。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)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。•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。非线性效应概述1.有效长度Leff：当L很大时，1effL对于损耗为0.2dB/km的光纤,Leff约20km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。LeffdzzPPL00)(1LLzedze10LLeffP(0)实际传输距离2.有效面积AeffrreffrdrdrIrdrdrIA,,22模场分布为高斯分布时,Aeff=W2普通单模光纤的Aeff80m2色散位移光纤的Aeff55m2色散补偿光纤的Aeff20m2Aeff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。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•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。受激非弹性散射二、受激布里渊散射（SBS）（1）2、阈值功率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。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：effBeffthLgAP/21BthgwP/)(212L足够长时，Leff1/，而Aeff可用w2代替，w为模场半径峰值增益gB510-11m/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。二、受激布里渊散射（SBS）（2）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。二、受激布里渊散射（SBS）（3）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。三、受激喇曼散射（SRS）（2）1、功率阈值gR--喇曼增益effReffthLgAP/16RthgwP/)(162mWPWcmgmAkmLthReffeff560,/107,50,20112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。12341234fiber2、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。三、受激喇曼散射（SRS）（3）3、减小SRS对系统影响的主要措施•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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。FRA可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大。三、受激喇曼散射（SRS）（4）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：222),(EnnEn光场幅度的有效值或均方根线性折射率非线性折射率或Kerr系数折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。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化，使传播常数增加了一附加项：effAn22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，信号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。P'线性传输时的传播常数非线性系数光纤中传输的功率•非线性相移ineffeffeffinLNLPALnLPdZZP)/2()(20非线性相移与信号功率成比例增大，输入信号功率越大，非线性效应越强。SPM不仅随光强而变，而且随时间变化，这种瞬时变化相移将引起光脉冲的频谱展宽，导致在光脉冲的中心两侧出现不同的瞬时光频率，即出现频率啁啾。•频率啁啾•相位调制导致的频率啁啾为：dtdPALndtdineffeffspm2)(21频率啁啾随传输距离增大而增大，因此随着光脉冲沿光纤传输将不断产生新的频率分量，频谱将不断展宽。脉冲频谱的展宽程度还与脉冲形状有关。•SPM特点SPM导致频率啁啾，正比于光强对时间的微分频率啁啾将导致脉冲谱宽增加SPM与色散共同作用，在正常色散区，加剧脉冲展宽速度；在反常色散区减低脉冲展宽速度(但SPM将导致脉冲畸变)，在一定条件下，可以使色散效应与SPM效应互相抵消，实现脉冲无畸变传输----孤子非线性效应产生的自相位调制一般不大，对IM/DD系统无关紧要，但在级联放大系统和WDM系统中则不容忽视，在相干波系统中也不能忽视二、互相位调制XPM在多波长系统中（WDM），光强的变化引起相位的变化，由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。XPM是不同波长的光脉冲在光纤中共同传输时引起的一种光场的非线性相移。特点：信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第j信道的相移可写为：MjmmjeffjNLPPL2M：信道总数；Pj：信道功率（j＝1～M）；因子2表明在同样功率下XPM的影响是SPM的两倍，这样总相移就与所有信道功率和有关，并根据相邻信道比特图形而变化。•说明：•在WDM系统中，某信道的XPM是其它信道共同作用的结果。•XPM已成为WDM系统主要的功率限制因素之一。•XPM与信道间隔以及信道数有关，大的信道间隔，加快了信道间的走离，有助于减小XPM。•由于各信道之间偏振态的随机性，XPM又呈现出复杂的统计特性。•减小影响的主要方法：•增大信道间隔•减低信号功率•相邻信道正交偏振三、四波混频FWMFWM：光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。对于等间隔的WDM系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。123•特点：小的色散光纤，相位匹配易于满足，FWM越加严重，故应在色散与FWM之间取折衷。•减小影响：增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、减小光功率、相邻信道正交偏振（破坏相位匹配）练习光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响？某1.3um光波系统，光纤链路长50km，损耗为0.5dB/km，求其布里渊散射阈值功率。若工作波长变为1.55um，损耗为0.2dB/km，试求布里渊散射阈值功率的变化，设光纤有效横截面，在两波长时布里渊增益系数220effAm115*10/BgmW