光纖通信第六章1 概述與非線性課件

第6.1講

WDM長(zhǎng)距離傳輸?shù)南拗埔蛩貥O其抑制技術(shù)

一、概況二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對(duì)光纖通信的影響三、色散的積累與補(bǔ)償

2022/11/101光纖通信系統(tǒng)-顧畹儀第6.1講

WDM長(zhǎng)距離傳輸?shù)南拗埔蛩貥O其抑制技術(shù)

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(dǎo)致信號(hào)眼圖劣化各種非線性光學(xué)效應(yīng)的影響PMD的影響ASE噪聲的積累XPM對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響長(zhǎng)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(duì)信號(hào)質(zhì)量支撐超長(zhǎng)距離傳輸?shù)男录夹g(shù)

非線性效應(yīng)抑制技術(shù)色散和偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)低噪聲放大技術(shù)新型調(diào)制格式前向糾錯(cuò)編碼（FEC）2022/11/103光纖通信系統(tǒng)支撐超長(zhǎng)距離傳輸?shù)男录夹g(shù)

非線性效應(yīng)抑制技術(shù)2022/11/

二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對(duì)光纖通信的影響

1、非線性光學(xué)效應(yīng)

2、受激光散射

3、折射率調(diào)制2022/11/104光纖通信系統(tǒng)

二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對(duì)光纖通信的影響

1、非線性光1、非線性光學(xué)效應(yīng)非線性極化弱光場(chǎng)時(shí)，光纖是線性煤質(zhì)滿足線性疊加原理，光頻率不發(fā)生轉(zhuǎn)換強(qiáng)光場(chǎng)時(shí)，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(xué)效應(yīng)非線性極化+C.C2022/11/95光纖線性極化項(xiàng)二階非線性極化項(xiàng)三階非線性極化項(xiàng)將二階和三階非線性極化項(xiàng)展開，可以看到各階非線性效應(yīng)。原子內(nèi)部的庫(kù)侖場(chǎng)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(xiàng)展開

2）非線性光學(xué)效應(yīng)二階非線性極化項(xiàng)產(chǎn)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(gè)直流電場(chǎng)，相應(yīng)的效應(yīng)分別為倍頻、和頻、差頻以及光整流效應(yīng)。普科爾（Pocket）效應(yīng)也與二階非線性極化項(xiàng)有關(guān)。光纖通常不顯示二階非線性效應(yīng)。三階非線性極化項(xiàng)導(dǎo)致克爾（Kerr）效應(yīng)、雙光子吸收、光波的自作用（自聚焦、自相位調(diào)制）以及受激散射（受激Raman散射和受激布里淵散射）等現(xiàn)象。這些也是影響光纖通信的主要的非線性光學(xué)效應(yīng)。根據(jù)介質(zhì)中原子終態(tài)與初態(tài)是否相同，非線性光學(xué)效應(yīng)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(xué)效應(yīng)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(diào)制Modulationofrefractiveindexbylightintensity

(nonlinearityofinducedpolarization:P=e0

c

E+e0

c(3)

E3

)SelfPhaseModulation(SPM)自相位調(diào)制CrossPhaseModulation(CPM）交叉相位調(diào)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(yīng)1）受激喇曼散射(SRS)晶體中原子的振動(dòng)形成晶體中的格波，格波的能量是量子化的，對(duì)頻率為ν的格波，它的每份能量是hν，被稱為一個(gè)聲子。格波解分為兩支，光學(xué)支聲子和聲學(xué)支聲子，光學(xué)支聲子參與的光散射是受激喇曼散射，聲學(xué)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(chǎn)生下頻移反Stokes過程：

，光波產(chǎn)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(yīng)晶體中原子的振動(dòng)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(duì)光纖通信的影響限制了光纖中傳輸?shù)淖畲蠊β省?duì)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(dāng)時(shí)的注入功率。Pc2022/11/1012光纖通信系統(tǒng)受激Raman散射對(duì)光纖通信的影響pc是散射光功率變引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_.

K是與偏振有關(guān)的系數(shù)，

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(zhǎng)信道的功率向較長(zhǎng)波長(zhǎng)信道轉(zhuǎn)移2022/11/1013光纖通信系統(tǒng)引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_.較短波長(zhǎng)信道的功率向較長(zhǎng)波長(zhǎng)信道當(dāng)兩個(gè)信道都是“1”碼時(shí)誘發(fā)出的喇曼散射最厲害，串?dāng)_最明顯2022/11/1014光纖通信系統(tǒng)當(dāng)兩個(gè)信道都是“1”碼時(shí)誘發(fā)出的喇曼散射最厲害，串?dāng)_最明顯SBS的特點(diǎn)

后向散射為主；增益系數(shù)大，gB≈410-9cm/W；閾值低，閾值功率由式?jīng)Q定，對(duì)常規(guī)單模光纖，閾值功率約為4毫瓦；增益系數(shù)與泵浦激光器的譜線寬度有關(guān)頻移小，僅有數(shù)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(diǎn)2）受激布里淵散射(SBS)2022/13、折射率的非線性調(diào)制1)折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是由引起的

2）自相位調(diào)制2022/11/1016光纖通信系統(tǒng)3、折射率的非線性調(diào)制1)折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)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(hào),在G.655光纖傳輸傳輸40km

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

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

折射率的非線性調(diào)制引起參量過程兩種情況:三個(gè)光子合成一個(gè)光子

兩個(gè)光子湮滅

四波混頻發(fā)生的條件能量守恒動(dòng)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(diǎn):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(xué)效應(yīng)的抑制限制入纖功率在信號(hào)噪聲比和信號(hào)非線性串?dāng)_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(dāng)?shù)纳⑸⑹且环N制約非線性光學(xué)效應(yīng)的物理過程。非零色散位移光纖運(yùn)應(yīng)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(dá)到110μm2

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

當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)，脈沖在時(shí)域展寬；主要表現(xiàn)出光纖的色散效應(yīng)；

SPM引起的啁啾在一定條件下可以補(bǔ)償群速度色散——光孤子通信；孤子現(xiàn)象是非線性薛定諤方程的解。U是歸一化的光波電場(chǎng)強(qiáng)度的復(fù)幅度的包絡(luò)，T是歸一化時(shí)間，Z是歸一化距離?！?”對(duì)應(yīng)反常色散，“-”對(duì)應(yīng)正常色散。2022/11/1023光纖通信系統(tǒng)6)光孤子通信當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)，脈沖在時(shí)域展寬；主要表現(xiàn)出薛定諤方程的解

（1）設(shè)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(qiáng)的某一功率下，SPM效應(yīng)正好抵消了群速度色散，結(jié)果導(dǎo)致在沒有損耗的情況下，脈沖沿光纖傳輸時(shí)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(shè)輸入光脈沖為sech形，超短脈沖（2）當(dāng)光強(qiáng)很高、SPM效應(yīng)的影響大于群速度色散時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的演變過程，對(duì)應(yīng)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(fù)原，Z0

稱為孤子周期，僅與脈沖寬度有關(guān)。2022/11/1025光纖通信系統(tǒng)（2）當(dāng)光強(qiáng)很高、SPM效應(yīng)的影響大于群速度色散時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)第6.1講

WDM長(zhǎng)距離傳輸?shù)南拗埔蛩貥O其抑制技術(shù)

一、概況二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對(duì)光纖通信的影響三、色散的積累與補(bǔ)償

2022/11/1026光纖通信系統(tǒng)-顧畹儀第6.1講

WDM長(zhǎng)距離傳輸?shù)南拗埔蛩貥O其抑制技術(shù)

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(dǎo)致信號(hào)眼圖劣化各種非線性光學(xué)效應(yīng)的影響PMD的影響ASE噪聲的積累XPM對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響長(zhǎng)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(duì)信號(hào)質(zhì)量支撐超長(zhǎng)距離傳輸?shù)男录夹g(shù)

非線性效應(yīng)抑制技術(shù)色散和偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)低噪聲放大技術(shù)新型調(diào)制格式前向糾錯(cuò)編碼（FEC）2022/11/1028光纖通信系統(tǒng)支撐超長(zhǎng)距離傳輸?shù)男录夹g(shù)

非線性效應(yīng)抑制技術(shù)2022/11/

二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對(duì)光纖通信的影響

1、非線性光學(xué)效應(yīng)

2、受激光散射

3、折射率調(diào)制2022/11/1029光纖通信系統(tǒng)

二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對(duì)光纖通信的影響

1、非線性光1、非線性光學(xué)效應(yīng)非線性極化弱光場(chǎng)時(shí)，光纖是線性煤質(zhì)滿足線性疊加原理，光頻率不發(fā)生轉(zhuǎn)換強(qiáng)光場(chǎng)時(shí)，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(xué)效應(yīng)非線性極化+C.C2022/11/95光纖線性極化項(xiàng)二階非線性極化項(xiàng)三階非線性極化項(xiàng)將二階和三階非線性極化項(xiàng)展開，可以看到各階非線性效應(yīng)。原子內(nèi)部的庫(kù)侖場(chǎng)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(xiàng)展開

2）非線性光學(xué)效應(yīng)二階非線性極化項(xiàng)產(chǎn)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(gè)直流電場(chǎng)，相應(yīng)的效應(yīng)分別為倍頻、和頻、差頻以及光整流效應(yīng)。普科爾（Pocket）效應(yīng)也與二階非線性極化項(xiàng)有關(guān)。光纖通常不顯示二階非線性效應(yīng)。三階非線性極化項(xiàng)導(dǎo)致克爾（Kerr）效應(yīng)、雙光子吸收、光波的自作用（自聚焦、自相位調(diào)制）以及受激散射（受激Raman散射和受激布里淵散射）等現(xiàn)象。這些也是影響光纖通信的主要的非線性光學(xué)效應(yīng)。根據(jù)介質(zhì)中原子終態(tài)與初態(tài)是否相同，非線性光學(xué)效應(yīng)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(xué)效應(yīng)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(diào)制Modulationofrefractiveindexbylightintensity

(nonlinearityofinducedpolarization:P=e0

c

E+e0

c(3)

E3

)SelfPhaseModulation(SPM)自相位調(diào)制CrossPhaseModulation(CPM）交叉相位調(diào)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(yīng)1）受激喇曼散射(SRS)晶體中原子的振動(dòng)形成晶體中的格波，格波的能量是量子化的，對(duì)頻率為ν的格波，它的每份能量是hν，被稱為一個(gè)聲子。格波解分為兩支，光學(xué)支聲子和聲學(xué)支聲子，光學(xué)支聲子參與的光散射是受激喇曼散射，聲學(xué)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(chǎn)生下頻移反Stokes過程：

，光波產(chǎn)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(yīng)晶體中原子的振動(dòng)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(duì)光纖通信的影響限制了光纖中傳輸?shù)淖畲蠊β?。?duì)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(dāng)時(shí)的注入功率。Pc2022/11/1037光纖通信系統(tǒng)受激Raman散射對(duì)光纖通信的影響pc是散射光功率變引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_.

K是與偏振有關(guān)的系數(shù)，

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(zhǎng)信道的功率向較長(zhǎng)波長(zhǎng)信道轉(zhuǎn)移2022/11/1038光纖通信系統(tǒng)引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_.較短波長(zhǎng)信道的功率向較長(zhǎng)波長(zhǎng)信道當(dāng)兩個(gè)信道都是“1”碼時(shí)誘發(fā)出的喇曼散射最厲害，串?dāng)_最明顯2022/11/1039光纖通信系統(tǒng)當(dāng)兩個(gè)信道都是“1”碼時(shí)誘發(fā)出的喇曼散射最厲害，串?dāng)_最明顯SBS的特點(diǎn)

后向散射為主；增益系數(shù)大，gB≈410-9cm/W；閾值低，閾值功率由式?jīng)Q定，對(duì)常規(guī)單模光纖，閾值功率約為4毫瓦；增益系數(shù)與泵浦激光器的譜線寬度有關(guān)頻移小，僅有數(shù)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(diǎn)2）受激布里淵散射(SBS)2022/13、折射率的非線性調(diào)制1)折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是由引起的

2）自相位調(diào)制2022/11/1041光纖通信系統(tǒng)3、折射率的非線性調(diào)制1)折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)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(hào),在G.655光纖傳輸傳輸40km

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

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

折射率的非線性調(diào)制引起參量過程兩種情況:三個(gè)光子合成一個(gè)光子

兩個(gè)光子湮滅

四波混頻發(fā)生的條件能量守恒動(dòng)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(diǎn):2022/11/920光纖通2022/