光纖通信第六章1 概述與非線性課件

第6.1講

WDM長距離傳輸的限制因素極其抑制技術

一、概況二、非線性光學效應及其對光纖通信的影響三、色散的積累與補償

2022/11/101光纖通信系統(tǒng)-顧畹儀第6.1講

WDM長距離傳輸的限制因素極其抑制技術

一、概EDFA的ASE噪聲的積累和OSNR的下降群速度色散高階色散導致信號眼圖劣化各種非線性光學效應的影響PMD的影響ASE噪聲的積累XPM對信號質量的影響長距離傳輸中的限制因素2022/11/102光纖通信系統(tǒng)EDFA的ASE噪聲的積累ASE噪聲的積累XPM對信號質量支撐超長距離傳輸的新技術

非線性效應抑制技術色散和偏振模色散補償技術低噪聲放大技術新型調制格式前向糾錯編碼（FEC）2022/11/103光纖通信系統(tǒng)支撐超長距離傳輸的新技術

非線性效應抑制技術2022/11/

二、非線性光學效應及其對光纖通信的影響

1、非線性光學效應

2、受激光散射

3、折射率調制2022/11/104光纖通信系統(tǒng)

二、非線性光學效應及其對光纖通信的影響

1、非線性光1、非線性光學效應非線性極化弱光場時，光纖是線性煤質滿足線性疊加原理，光頻率不發(fā)生轉換強光場時，光纖發(fā)生非線性極化+C.C2022/11/105光纖通信系統(tǒng)1、非線性光學效應非線性極化+C.C2022/11/95光纖線性極化項二階非線性極化項三階非線性極化項將二階和三階非線性極化項展開，可以看到各階非線性效應。原子內部的庫侖場2022/11/106光纖通信系統(tǒng)線性極二階非線三階非線將二階和三階非線性極化項展開

2）非線性光學效應二階非線性極化項產生各入射基波分量的二次諧波（倍頻波）、和頻波、差頻波以及一個直流電場，相應的效應分別為倍頻、和頻、差頻以及光整流效應。普科爾（Pocket）效應也與二階非線性極化項有關。光纖通常不顯示二階非線性效應。三階非線性極化項導致克爾（Kerr）效應、雙光子吸收、光波的自作用（自聚焦、自相位調制）以及受激散射（受激Raman散射和受激布里淵散射）等現象。這些也是影響光纖通信的主要的非線性光學效應。根據介質中原子終態(tài)與初態(tài)是否相同，非線性光學效應分為參量過程（非激活的）和非參量過程（激活的）。2022/11/107光纖通信系統(tǒng)2）非線性光學效應2022/11/97光纖通信系統(tǒng)3）Non-LinearEffectsinFiberStimulatedScatteringEffects受激光散射InteractionbetweenphotonsandphononsStimulatedRamanScattering(SRS)受激喇曼散射StimulatedBrillouinScattering(SBS)受激布里淵散射RefractiveIndexEffects非線性折射率調制Modulationofrefractiveindexbylightintensity

(nonlinearityofinducedpolarization:P=e0

c

E+e0

c(3)

E3

)SelfPhaseModulation(SPM)自相位調制CrossPhaseModulation(CPM）交叉相位調制Four-WaveMixing(FWM)四波混頻2022/11/108光纖通信系統(tǒng)3）Non-LinearEffectsinFiberS2、受激散射效應1）受激喇曼散射(SRS)晶體中原子的振動形成晶體中的格波，格波的能量是量子化的，對頻率為ν的格波，它的每份能量是hν，被稱為一個聲子。格波解分為兩支，光學支聲子和聲學支聲子，光學支聲子參與的光散射是受激喇曼散射，聲學支聲子參與的光散射是受激布里淵散射。喇曼散射的基本過程：Stokes過程：，光波產生下頻移反Stokes過程：

，光波產生上頻移Stokes過程是主要的。喇曼增益譜寬2022/11/109光纖通信系統(tǒng)2、受激散射效應晶體中原子的振動形成晶體中的格波，格波的能2022/11/1010光纖通信系統(tǒng)2022/11/910光纖通信系統(tǒng)自發(fā)喇曼散射和受激喇曼散射gR≈7*10-12cm/W2022/11/1011光纖通信系統(tǒng)自發(fā)喇曼散射和受激喇曼散射gR≈7*10-12cm

受激Raman

散射對光纖通信的影響限制了光纖中傳輸的最大功率。對單信道系統(tǒng)，臨界功率pc

是散射光功率變得與注入光相當時的注入功率。Pc2022/11/1012光纖通信系統(tǒng)受激Raman散射對光纖通信的影響pc是散射光功率變引起波分復用系統(tǒng)中的串擾.

K是與偏振有關的系數，

如果i和j偏振方向相同，K=1；若i

和j偏振方向完全擾亂，K=2。較短波長信道的功率向較長波長信道轉移2022/11/1013光纖通信系統(tǒng)引起波分復用系統(tǒng)中的串擾.較短波長信道的功率向較長波長信道當兩個信道都是“1”碼時誘發(fā)出的喇曼散射最厲害，串擾最明顯2022/11/1014光纖通信系統(tǒng)當兩個信道都是“1”碼時誘發(fā)出的喇曼散射最厲害，串擾最明顯SBS的特點

后向散射為主；增益系數大，gB≈410-9cm/W；閾值低，閾值功率由式決定，對常規(guī)單模光纖，閾值功率約為4毫瓦；增益系數與泵浦激光器的譜線寬度有關頻移小，僅有數十MHz。2）受激布里淵散射(SBS)2022/11/1015光纖通信系統(tǒng)SBS的特點2）受激布里淵散射(SBS)2022/13、折射率的非線性調制1)折射率與光強有關的現象是由引起的

2）自相位調制2022/11/1016光纖通信系統(tǒng)3、折射率的非線性調制1)折射率與光強有關的現象是由引起頻率啁啾2022/11/1017光纖通信系統(tǒng)引起頻率啁啾2022/11/917光纖通信系統(tǒng)發(fā)射功率為5mW,10Gb/s的信號,在G.655光纖傳輸傳輸40km

發(fā)射功率為50mW,10Gb/s的信號,在G.655光纖傳輸傳輸40km自相位調制的影響（OpticSimu平臺仿真）2022/11/1018光纖通信系統(tǒng)發(fā)射功率為5mW,10Gb/s的信號,在G.655光纖傳3)交叉相位調制（XPM）

（OpticSimu平臺仿真）一路10毫瓦的信號三路10毫瓦的信號2022/11/1019光纖通信系統(tǒng)3)交叉相位調制（XPM）（Optic4)四波混頻(FWM)特點:

折射率的非線性調制引起參量過程兩種情況:三個光子合成一個光子

兩個光子湮滅

四波混頻發(fā)生的條件能量守恒動量守恒

(相位匹配)2022/11/1020光纖通信系統(tǒng)4)四波混頻(FWM)特點:2022/11/920光纖通2022/11/1021光纖通信系統(tǒng)2022/11/921光纖通信系統(tǒng)5）非線性光學效應的抑制限制入纖功率在信號噪聲比和信號非線性串擾比之間均衡考慮。如322.5Gb/s系統(tǒng)主光通道的總功率在17-20dBm。保留適當的色散色散是一種制約非線性光學效應的物理過程。非零色散位移光纖運應而生。加大光纖的有效面積

大有效面積NZDSF純石英芯子單模光纖（有效面積達到110μm2

）2022/11/1022光纖通信系統(tǒng)5）非線性光學效應的抑制限制入纖功率2022/11/922光6)光孤子通信

當光強較低時，脈沖在時域展寬；主要表現出光纖的色散效應；

SPM引起的啁啾在一定條件下可以補償群速度色散——光孤子通信；孤子現象是非線性薛定諤方程的解。U是歸一化的光波電場強度的復幅度的包絡，T是歸一化時間，Z是歸一化距離。“+”對應反常色散，“-”對應正常色散。2022/11/1023光纖通信系統(tǒng)6)光孤子通信當光強較低時，脈沖在時域展寬；主要表現出薛定諤方程的解

（1）設輸入光脈沖為sech形，超短脈沖在反常色散光纖中傳輸，在較強的某一功率下，SPM效應正好抵消了群速度色散，結果導致在沒有損耗的情況下，脈沖沿光纖傳輸時波形保持不變，這種孤子被稱為基本光孤子。

2022/11/1024光纖通信系統(tǒng)薛定諤方程的解（1）設輸入光脈沖為sech形，超短脈沖（2）當光強很高、SPM效應的影響大于群速度色散時，會發(fā)生復雜的演變過程，對應高階光孤子的情況。輸入光脈沖在傳輸過程中首先變窄，然后發(fā)生分裂，在特定的距離Z0上周期性地復原，Z0

稱為孤子周期，僅與脈沖寬度有關。2022/11/1025光纖通信系統(tǒng)（2）當光強很高、SPM效應的影響大于群速度色散時，會發(fā)生復第6.1講

WDM長距離傳輸的限制因素極其抑制技術

一、概況二、非線性光學效應及其對光纖通信的影響三、色散的積累與補償

2022/11/1026光纖通信系統(tǒng)-顧畹儀第6.1講

WDM長距離傳輸的限制因素極其抑制技術

一、概EDFA的ASE噪聲的積累和OSNR的下降群速度色散高階色散導致信號眼圖劣化各種非線性光學效應的影響PMD的影響ASE噪聲的積累XPM對信號質量的影響長距離傳輸中的限制因素2022/11/1027光纖通信系統(tǒng)EDFA的ASE噪聲的積累ASE噪聲的積累XPM對信號質量支撐超長距離傳輸的新技術

非線性效應抑制技術色散和偏振模色散補償技術低噪聲放大技術新型調制格式前向糾錯編碼（FEC）2022/11/1028光纖通信系統(tǒng)支撐超長距離傳輸的新技術

非線性效應抑制技術2022/11/

二、非線性光學效應及其對光纖通信的影響

1、非線性光學效應

2、受激光散射

3、折射率調制2022/11/1029光纖通信系統(tǒng)

二、非線性光學效應及其對光纖通信的影響

1、非線性光1、非線性光學效應非線性極化弱光場時，光纖是線性煤質滿足線性疊加原理，光頻率不發(fā)生轉換強光場時，光纖發(fā)生非線性極化+C.C2022/11/1030光纖通信系統(tǒng)1、非線性光學效應非線性極化+C.C2022/11/95光纖線性極化項二階非線性極化項三階非線性極化項將二階和三階非線性極化項展開，可以看到各階非線性效應。原子內部的庫侖場2022/11/1031光纖通信系統(tǒng)線性極二階非線三階非線將二階和三階非線性極化項展開

2）非線性光學效應二階非線性極化項產生各入射基波分量的二次諧波（倍頻波）、和頻波、差頻波以及一個直流電場，相應的效應分別為倍頻、和頻、差頻以及光整流效應。普科爾（Pocket）效應也與二階非線性極化項有關。光纖通常不顯示二階非線性效應。三階非線性極化項導致克爾（Kerr）效應、雙光子吸收、光波的自作用（自聚焦、自相位調制）以及受激散射（受激Raman散射和受激布里淵散射）等現象。這些也是影響光纖通信的主要的非線性光學效應。根據介質中原子終態(tài)與初態(tài)是否相同，非線性光學效應分為參量過程（非激活的）和非參量過程（激活的）。2022/11/1032光纖通信系統(tǒng)2）非線性光學效應2022/11/97光纖通信系統(tǒng)3）Non-LinearEffectsinFiberStimulatedScatteringEffects受激光散射InteractionbetweenphotonsandphononsStimulatedRamanScattering(SRS)受激喇曼散射StimulatedBrillouinScattering(SBS)受激布里淵散射RefractiveIndexEffects非線性折射率調制Modulationofrefractiveindexbylightintensity

(nonlinearityofinducedpolarization:P=e0

c

E+e0

c(3)

E3

)SelfPhaseModulation(SPM)自相位調制CrossPhaseModulation(CPM）交叉相位調制Four-WaveMixing(FWM)四波混頻2022/11/1033光纖通信系統(tǒng)3）Non-LinearEffectsinFiberS2、受激散射效應1）受激喇曼散射(SRS)晶體中原子的振動形成晶體中的格波，格波的能量是量子化的，對頻率為ν的格波，它的每份能量是hν，被稱為一個聲子。格波解分為兩支，光學支聲子和聲學支聲子，光學支聲子參與的光散射是受激喇曼散射，聲學支聲子參與的光散射是受激布里淵散射。喇曼散射的基本過程：Stokes過程：，光波產生下頻移反Stokes過程：

，光波產生上頻移Stokes過程是主要的。喇曼增益譜寬2022/11/1034光纖通信系統(tǒng)2、受激散射效應晶體中原子的振動形成晶體中的格波，格波的能2022/11/1035光纖通信系統(tǒng)2022/11/910光纖通信系統(tǒng)自發(fā)喇曼散射和受激喇曼散射gR≈7*10-12cm/W2022/11/1036光纖通信系統(tǒng)自發(fā)喇曼散射和受激喇曼散射gR≈7*10-12cm

受激Raman

散射對光纖通信的影響限制了光纖中傳輸的最大功率。對單信道系統(tǒng)，臨界功率pc

是散射光功率變得與注入光相當時的注入功率。Pc2022/11/1037光纖通信系統(tǒng)受激Raman散射對光纖通信的影響pc是散射光功率變引起波分復用系統(tǒng)中的串擾.

K是與偏振有關的系數，

如果i和j偏振方向相同，K=1；若i

和j偏振方向完全擾亂，K=2。較短波長信道的功率向較長波長信道轉移2022/11/1038光纖通信系統(tǒng)引起波分復用系統(tǒng)中的串擾.較短波長信道的功率向較長波長信道當兩個信道都是“1”碼時誘發(fā)出的喇曼散射最厲害，串擾最明顯2022/11/1039光纖通信系統(tǒng)當兩個信道都是“1”碼時誘發(fā)出的喇曼散射最厲害，串擾最明顯SBS的特點

后向散射為主；增益系數大，gB≈410-9cm/W；閾值低，閾值功率由式決定，對常規(guī)單模光纖，閾值功率約為4毫瓦；增益系數與泵浦激光器的譜線寬度有關頻移小，僅有數十MHz。2）受激布里淵散射(SBS)2022/11/1040光纖通信系統(tǒng)SBS的特點2）受激布里淵散射(SBS)2022/13、折射率的非線性調制1)折射率與光強有關的現象是由引起的

2）自相位調制2022/11/1041光纖通信系統(tǒng)3、折射率的非線性調制1)折射率與光強有關的現象是由引起頻率啁啾2022/11/1042光纖通信系統(tǒng)引起頻率啁啾2022/11/917光纖通信系統(tǒng)發(fā)射功率為5mW,10Gb/s的信號,在G.655光纖傳輸傳輸40km

發(fā)射功率為50mW,10Gb/s的信號,在G.655光纖傳輸傳輸40km自相位調制的影響（OpticSimu平臺仿真）2022/11/1043光纖通信系統(tǒng)發(fā)射功率為5mW,10Gb/s的信號,在G.655光纖傳3)交叉相位調制（XPM）

（OpticSimu平臺仿真）一路10毫瓦的信號三路10毫瓦的信號2022/11/1044光纖通信系統(tǒng)3)交叉相位調制（XPM）（Optic4)四波混頻(FWM)特點:

折射率的非線性調制引起參量過程兩種情況:三個光子合成一個光子

兩個光子湮滅

四波混頻發(fā)生的條件能量守恒動量守恒

(相位匹配)2022/11/1045光纖通信系統(tǒng)4)四波混頻(FWM)特點:2022/11/920光纖通2022/