第8章--非线性光学效应及应用

光子学与光电子学原荣邱琪编著1第8章非线性光学效应及应用8.1非线性光学效应8.2光纤拉曼放大器8.3光纤孤子通信8.4波长转换器光子学与光电子学原荣邱琪编著28.1非线性光学效应8.1.1非线性光学效应8.1.2几种光纤非线性光学效应光子学与光电子学原荣邱琪编著38.1.1非线性光学效应当电场E施加到电介质材料时将引起组成它的原子和分子极化。介质对电场的响应可用引起介质的极化P来描述，它表示单位体积引起的净偶极矩。在线性电介质中，引起的极化P与那点的电场E成正比，其关系是EoP，式中是极化系数。但是在强电场作用下，P与E的关系将不遵守线性关系，如图8.1.1（a）所示。此时P与E的关系是33221EEEoooP（8.1.1）式中1、2和3分别是线性、二阶和三阶极化系数。因为高阶系数对P的贡献下降很快，所以没有考虑。非线性二阶和三阶极化系数的影响程度与电场强度E有关。当场强达到V/m10~7时，非线性不得不考虑，这样高的场强要求光强约达到2kW/cm1000。光子学与光电子学原荣邱琪编著4图8.1.1强电场引起非线性光学效应PP+P-EoEt时间EoEo－t时间P+P-t时间P直流（b）正弦光场产生的极化极化（c）极化可用基波、二次谐波和直流分量表示Eo－（a）强光场E与它引起的非线性介质极化P的关系基波二次谐波假如光场是tEEsino，把它代入式（8.1.1），整理并忽略3项，就可以得到光场引起的极化P为o2o21o2o21o1o2cossinEtEtEP（8.1.2）式中，第一项是基波，第二项是二次谐波，第三项是直流项，如图8.1.1（c）所示。在光纤传输系统中，特别是高功率多波长光信号以WDM方式发射进同一根光纤时，非线性的影响就不得不考虑，最大的非线性效应是四波混频（FWM）、受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射。光子学与光电子学原荣邱琪编著58.1.2几种光纤非线性光学效应在强电磁场的作用下，任何介质对光的响应都是非线性的，光纤也不例外。SiO2本身虽不是强的非线性材料，但作为传输波导的光纤，其纤芯的横截面积非常小，高功率密度光经过长距离的传输，光纤非线性效应就不可忽视了。光纤非线性光学效应是光和光纤介质相互作用的一种物理效应，这种效应主要来源于介质材料的三阶极化率3；与其相关的非线性效应主要有受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混合（FWM），以及孤子（Soliton）效应等。光子学与光电子学原荣邱琪编著61.受激光散射拉曼散射和布里渊散射是非弹性散射，光波和介质相互作用时要交换能量。在高功率时，受激拉曼散射和受激布里渊散射都将导致大的光损耗。当入射光功率超过一定阈值时，两种散射的光强都随入射光功率成指数增加，差别是受激拉曼散射在单模光纤的后向发生，而受受激布里渊散射则在前向发生。受激布里渊散射限制了注入光功率，特别是相干光通信系统。利用受激拉曼散射和受激布里渊散射的特性，把泵浦光的能量转换为光信号的能量，实现信号光的放大。光子学与光电子学原荣邱琪编著72.非线性折射率调制效应（1）自相位调制（SPM）在讨论光纤模式时，认为SiO2光纤的折射率与入射光功率无关。在低功率情况下，可得到很好的近似结果。但在高功率情况下，必须考虑非线性效应的影响。由于非线性折射率效应，将会产生一个非线性相移。对于强度调制直接检测系统，这种相位移不会产生影响，但在相干光纤通信系统中，相位的稳定性十分重要。在相干光通信系统中，折射率对功率的依赖关系将是限制系统的一个因素。对于很窄的光脉冲，SPM可以减少色散引起的光脉冲展宽。在光纤没有损耗时，如选择光脉冲的峰值功率与一阶光孤子的一致，光脉冲就可以保持它的幅度和形状而不会畸变。光子学与光电子学原荣邱琪编著8（2）交叉相位调制（XPM）当两个或两个以上的信道使用不同的载频同时在光纤中传输时，折射率与光功率的依赖关系也可以导致XPM。这样某一信道的非线性相位移不仅与本信道的功率有关，而且与其他信道的功率有关。在数字通信系统中，某一信道的非线性相位移不仅与所有信道的功率有关，并且与信道码型也有关，如果假设所有信道具有相同的功率，则在所有信道都是“1”码的最坏情况下，10个信道的信道功率也被限制到低于1mW。很显然，XPM可能是一个主要的功率限制因素。光子学与光电子学原荣邱琪编著9（3）四波混频及其对DWDM系统的影响和对策图8.1.2四波混频产生了新的频率分量ffwm=f1+f2f3石英光纤的三阶极化3率不为零，可以引起四波混频（FWM），如果有三个频率分别为f1、f2、f3的光场同时在光纤中传输，3将会引起频率为f4的第四个场f4=f1±f2±f3在多信道复用系统中，ffwm=f1+f2f3组合最为不利，特别是当信道间隔相当小的时候（约1GHz），相位匹配条件很容易满足，有相当大的信道功率可能通过四波混频被转换到ffwm光场中。光子学与光电子学原荣邱琪编著108.2光纤拉曼放大器EDFA只能工作在1530~1564nm之间的C波段；光纤拉曼放大器可用于全波光纤工作窗口。因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。光子学与光电子学原荣邱琪编著118.2.1光纤拉曼放大器的工作原理增益介质：系统传输光纤；工作原理：基于非线性光学效应，利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射，使组成光纤的硅分子振动和泵浦光之间发生相互作用，产生比泵浦光波长P还长的散射光（斯托克斯光P–R）。该散射光与波长相同的信号光s重叠，从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频率差大约为13THz，在1.5m波段，由附录G可知，它相当于约100nm的波长差，即有100nm的增益带宽。光子学与光电子学原荣邱琪编著12分布式拉曼放大器（DRA）的工作原理采用拉曼放大时，放大波段只依赖于泵浦光的波长，没有像EDFA那样的放大波段的限制。从原理上讲，只要采用合适的泵浦光波长，就完全可以对任意输入光进行放大。分布式光纤拉曼放大器（DRA）采用强泵浦光对传输光纤进行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦，因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。图8.2.1为采用前向泵浦的分布式光纤拉曼放大器的构成和能级图。光子学与光电子学原荣邱琪编著13如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，产生比泵浦光波长还长的散射光（斯托克斯光）。该散射光与波长相同的信号光重叠，从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。图8.2.1分布式拉曼放大器的工作原理传输光纤信号光泵浦光已放大信号光耦合器WDM滤波器信号光强度信号光sSiOpp泵浦光斯托克斯光反斯托克斯光石英晶体的晶格振动pspp+RRR=s=s光子学与光电子学原荣邱琪编著14受激拉曼散射(SRS)本质上与受激光发射(SOA)不同在受激发射中，入射光子激发另一个相同的光子发射而没有损失它自己的能量；但在SRS中，入射泵浦光子放弃了它自己的能量，产生了另一个较低能量（较长波长）的光子。与SOA电泵浦不同，SRS必须光泵浦，也不要求粒子数反转。事实上，SRS是一种非谐振非线性现象，它不要求粒子数在能级间转移。光子学与光电子学原荣邱琪编著15a）介质受激拉曼散射放大信号光的能级图泵浦光和信号光的频率差称为斯托克斯（Stokes）频差在SRS过程中扮演着重要的角色。由分子振动能级确定的值决定了发生SRS的频率（或波长）范围。幸好，由于玻璃的非结晶性，硅分子的振动能级汇合在一起就构成了一个能带，如图8.2.2（a）所示，其结果是信号光在很宽的频率范围内（约20THz），通过SRS仍可获得放大。8.2.2拉曼增益和带宽RpsR基态能级硅分子振动能级s1s2泵浦光子对应能级信号光ssp_=R泵浦光pEvibLEvibHhvphvs1hvs2hvs1=hvpEvibLEvibHhvs2=hvp斯托克斯频差R能级范围hvphvs光子学与光电子学原荣邱琪编著16图8.2.2b受激拉曼散射能级和拉曼放大增益频谱b)测量到的拉曼增益系数频谱增益带宽可以达到约8THz。光纤拉曼放大器相当大的带宽使它们在光纤通信应用中具有极大的吸引力。光子学与光电子学原荣邱琪编著17图8.2.3小信号光在长光纤内的拉曼增益由图可见，又一次实验证明，信号光和泵浦光的频率差为13.2THz时，拉曼增益达到最大光子学与光电子学原荣邱琪编著188.2.3放大倍数和增益饱和图8.2.4表示测量到的光纤拉曼放大增益或放大倍数与泵浦功率的关系，该实验使用的光纤拉曼放大器长1.3km，泵浦光波长和信号光波长图中已标出。放大倍数开始随泵浦光指数增加，但是当泵浦功率大于1W时，因为增益饱和，开始偏离指数规律。由图可见，实验结果和按式（8.2.3）和式（8.2.4）的计算值符合得很好，1.5W的泵浦功率可以获得30dB的增益。光子学与光电子学原荣邱琪编著198.2.4噪声指数由于拉曼放大是分布式获得增益的过程，其等效噪声要比集中式放大器的小。为了比较分布式光纤拉曼放大器与集中式放大器的性能，定义分布式光纤拉曼放大器的等效（集中）噪声指数RF为RaseRR1/FGh（8.2.9）式中，Rase是光纤末端放大自发辐射（ASE）密度，GR是在光纤末端信号的拉曼增益。当作为前置放大器的分布式光纤拉曼放大器与作为后置放大器的常规EDFA混合使用时，其等效噪声指数为RERGFFF（8.2.10）式中，GR和FR分别是分布式拉曼放大器的增益和噪声指数，EF是EDFA的噪声指数。因为作为前置放大器的分布式光纤拉曼放大器的噪声指数RF通常要比后置放大器EDFA的噪声指数EF小，由式（8.2.10）可知，只要增加拉曼增益GR就可以减小总的噪声指数。分布式光纤拉曼放大与常规EDFA混合使用，在一定的增益范围内，能有效地降低系统的噪声指数，增加传输跨距。光子学与光电子学原荣邱琪编著208.2.5多波长泵浦增益带宽增益波长由泵浦光波长决定，选择适当的泵浦光波长，可得到任意波长的光信号放大。分布式光纤拉曼放大器的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果，所以它是由泵浦光波长的数量和种类决定的。光子学与光电子学原荣邱琪编著21该图表示6个泵浦波长单独泵浦时，产生的增益频谱和总的增益频谱曲线。由图可见，当泵浦光波长逐渐向长波长方向移动时，增益曲线峰值也逐渐向长波长方向移动。图8.2.5多波长泵浦增益频谱148015201560160016400510152025增益(dB)波长（nm）喇曼总增益是各泵浦波长光产生的增益之和1464nm1402nm1423nm1443nm1495nm泵浦产生的增益总增益光子学与光电子学原荣邱琪编著22可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦，因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。光纤分布式喇曼放大器（DRA）构成-----后向泵浦WDM传输光纤信号光泵浦光光复用器泵浦光增益平坦滤波器入1入2光子学与光电子学原荣邱琪编著238.2.6光纤拉曼放大（DRA）技术应用由于DRA采用分布光纤增益放大技术，其噪声系数明显比传统的光纤拉曼放大器小。因此，DRA与EDFA的组合使用，可明显地提高长距离光纤通信系统的总增益，降低系统的总噪声，提高系统的Q值，从而可以扩大系统所能传输的最远距离。由于DRA与EDFA的组合使用，扩大了系统传输的距离，从而减少了均衡