《光纤的非线性》PPT课件.ppt
2023/7/10,Optical fiber communications,4.光纤的非线性,一、非线性效应线性介质：非线性介质（强场）：d：二阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型值为 三阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型值为,2023/7/10,Optical fiber communications,二阶非线性系数d导致产生二次谐波及和频等一系列非线性效应。但它仅缺乏分子量级反转对称的介质才不为0。对 对称分子石英玻璃的d0，所以光纤通常不表现出二阶非线性效应，主要讨论其三阶非线性效应。A.非线性折射：折射率佼核与光强（弹性效应）总折射率：弹性：自相关调制（SPM:self phase modulation）交叉相关调制（XPM:Cross phase Modulation）,2023/7/10,Optical fiber communications,B、受激非弹性散射：非线性介质有能量交换1.受激拉曼散射：Stimulated Raman ScatteringSRS2.受激布里渊散射：Stimulated Brillouin ScatteringSBSC参量过程：四波混频：FWM-Four Wave Mixing,2023/7/10,Optical fiber communications,二、有效长度（effective length）,A由于非线性效应依赖于光强，所以，随着光场在传播过程中的衰减尔消失B大系数的非线性效应只是在光纤的起始阶段比较明显C为了简化模型，引入有效长度的概念D有效长度ELE：是脉冲的峰值功率,2023/7/10,Optical fiber communications,2023/7/10,Optical fiber communications,三、Effective Area,A.相似地，由于光场在整个光纤截面上并不均匀分布，非线性效应在整个光纤的截面上并不是均匀的。B.定义有效面积，在此之内假定光强是常数C.在此以外假定变场为0D.有效截面面积E.对标准SMF,2023/7/10,Optical fiber communications,对色散光杠杆：,2023/7/10,Optical fiber communications,四、Self-Phase Modulation,A、单色平面波：B、新的频率成份 似忽略 reason：其频率在感兴趣的频段以外 其强度弱因为有设有同基波进行任相 匹配,2023/7/10,Optical fiber communications,C、基波另外的分量会引起频率的啁啾，并且改变其色散D、忽略3次谐波,2023/7/10,Optical fiber communications,2023/7/10,Optical fiber communications,五、基波（SPM:相位是光强的函数）,A、相位B、折射率：1、在石英光线中,2023/7/10,Optical fiber communications,2、典型：C、SPM 啁啾1、与强度有关的波失导数负的相移2、该负折射的脉冲中心最大，在脉冲边缘最小3、瞬时频率,2023/7/10,Optical fiber communications,信号频率的瞬间变化：,2023/7/10,Optical fiber communications,4、The leading edge:,The trailing edg 蓝移 脉冲顶部：,红移,2023/7/10,Optical fiber communications,五、Cross phase Modulation XPM,当两个或每个不同波长的光波在光钎中同时传播时他们将通过光纤的非线形而相互作用。此时有效折射率不仅与该波的强度有关，也与其他波的强度有关。XPM就是指光纤中某波长的广场E由同时输出另一波长的光场E2所引出的非线性相移。XPM 引起光脉冲的频谱不对称的展宽 假定WDM中信号：,2023/7/10,Optical fiber communications,非线性电极化：,2023/7/10,Optical fiber communications,1、非线性效应在WDM中产生新的频率成分2、分量，和 与基波没有实现相位匹配，可忽略。3、分量 和 是四波混频4、剩余为SPM和XPM成分5、XPM和SPM的作用相似6、如果E1=E2，XPM的效应是SPM的2倍。,2023/7/10,Optical fiber communications,7、实际上通过增大WUM信通的间距来降低XPM8、12ps/(km.nm)对WDM（100GHz间距）是够使脉冲各自走开由于其群速不同。9、由于脉冲离散：pulse-walk-off，在标准的SMF中，XMP可忽略10、在色散位移光纤中，脉冲并不“各自走开”，对称率超过10Gb/s的光纤，在0色散波长处，XMP变得突出。,2023/7/10,Optical fiber communications,六、Raman Scatering,A、由分子振动，固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非线性散色B、由液体或固体的声学声子产生的 Raman：频移量在光学范围属光学范畴 频移量在声频范围属声学分支,2023/7/10,Optical fiber communications,光强：通常说光的强度（光强），是指单位面积上的平均光功率或者光的平均能流密度。作为电磁波这应由poynting vector 确定，因电磁波中且。poynting vector的瞬时值为：在光频波段所有磁化机制都不起作用光学折射率：,2023/7/10,Optical fiber communications,对简谐振动平均值：故光强为：七、四波混频（Four-wave Mixing-FWM）假定信号,2023/7/10,Optical fiber communications,非线性极化,2023/7/10,Optical fiber communications,在色散时在中特别是当信道间隔很小的时候，可能有相当大的信道功率，通过四波混频过程转换到新的光场中去，这一转换一方面直接导致信道功率损耗，另一方面，还会产生串话引起信道间干扰。,Effects of FWM、与和根本上不同、和对单一信道分光的啁啾3、3个频率成分 结合产生新的（第四个）4、只有 重要（其余没有实现位相匹配）,2023/7/10,Optical fiber communications,6、假定 约比信号低20dB7、这一程度的Cross-talk 是无法忍受的8、实际上由于没有理想的相位匹配，FWM成分的功率较低。,5、假定相位匹配FWM产生的功率,2023/7/10,Optical fiber communications,八、光孤子Solitons,Soliton是在光纤的色散与非线性自相关调制两种效应的共同体，在一定条件下产生的一种物理现象，两种作用互相补偿而使光脉冲形状在传输过程中不变及色散。A、色散,2023/7/10,Optical fiber communications,1、Gaussian pulse,是Gaussian Pulses 的横向分布 代表脉冲的色散 光的快速振动在时域是一个一个的相位稳定的脉冲组成,2023/7/10,Optical fiber communications,2、Fourier Transform ofGaussianPulses,2023/7/10,Optical fiber communications,G.P.可以看成是平面波的合成,2023/7/10,Optical fiber communications,3、纵向波矢的频率色散,中心频率一般纵向波矢是波长的函数，取：Taylor展开,2023/7/10,Optical fiber communications,4、脉冲的形状是每个频率成分的合成,2023/7/10,Optical fiber communications,5、脉冲传播,After propagation,2023/7/10,Optical fiber communications,Booviginal Pulse,（1）脉冲位移：从Z=0到Z速度t=2/vg（2）脉冲展宽：e指数的分母在z都增加（3）脉冲有啁啾：e指数的分子表明脉冲与频率成 分的位相不再一致,2023/7/10,Optical fiber communications,6、脉冲展宽,定义：Gausstan pulse 的FWHM为,2023/7/10,Optical fiber communications,材料色散,2023/7/10,Optical fiber communications,正常色 长波的V比短波的慢 反常色 长波的V比短波的块,2023/7/10,Optical fiber communications,反常色散,Fregnency dornain,
