光波技术基础part7.ppt

4 3光纤的非线性 非线性传输方程自相位调制 SPM 交叉相位调制 XPM 四波混频 FWM 受激非弹性散射通道内非线性效应色散管理技术光纤中的光学孤立子 听说过吗 躺在床上能和外教一对一练英语口语 适合职场中的你 免费体验史上最牛英语口语学习 太平洋英语 光纤的非线性效应 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 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 而产生的效应 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 而产生的效应 包括 相位调制 SPM 互相位调制 XPM 和四波混频 FWM 非线性传输方程 非线性 当光场较强时 所有介质均对外场表现出一定的非线性 微观 电子在强场作用下对简谐运动的偏离宏观 介质在外场作用下的非线性极化 电极化强度矢量 对于石英光纤 极化强度 真空介电常数 极化率张量 外电场 线性响应 非线性响应 非线性折射率 忽略三阶以上的非线性极化 线性电极化强度 三阶非线性电极化强度 假设 1 把PNL处理成PL的微扰 实际上折射率的非线性变化小于10 6 2 假定光场沿光纤长度方向其偏振态不变 标量近似有效3 准单色光 代入前式 可得 非线性介电系数 介质的物质方程 利用得 非线性折射率 系数 双光子吸收系数 对于石英光纤 而 2相对较小 常被忽略 为研究方便 介电常数又常表示为 为微扰项 表明 纤芯折射率与通过其中的光功率相关 克尔 kerr 效应 三阶极化效应 微扰近似 确定传播常数 和场分布 传输方程 慢包络近似 利用一阶微扰近似理论 微扰 n不影响模场分布 传播常数将变为 非线性系数 对于1 55um工作波段的SSMF 2 6W 1 km 有效面积 Aeff 模场分布为高斯分布时 Aeff W2 普通单模光纤 LEAF光纤 非线性项 非线性薛定谔方程 非线性薛定谔方程 非线性传输方程 传输方程可进一步表示为 将代入 有 损耗项 延时系 数值求解 分布傅立叶法 自相位调制 SPM 自相位调制 SPM 是由于本信道光功率引起的折射率非线性变化所致 为简单起见 不考虑光纤色散 非线性传输方程化为 解得 其中 非线性长度 是距离z的归一化量度 在分析光纤非线性效应随距离变化时极为方便P0 光强度脉冲峰值 归一化光强度脉冲 有效长度 L Leff P 0 L 实际传输距离 当L很大时 对于损耗为0 2dB km 0 046neper 的光纤 Leff约20km 是以neper为单位的衰减系数 有效长度可由式 导出 和 自相位调制导致的频率啁啾为 输出光强度信号 SPM导致的啁啾 脉冲的不同部位频率偏移量不同 且频率偏移量随着传输距离的增加而加大 即不断产生新的频率成分 在高斯脉冲的中心区域产生线性上 负 啁啾 脉冲中所含频率成分在脉冲不同部位的重新分配 并不产生新的频率成分 SPM与色散的啁啾效应 SPM 色散 SPM特点 光场相位在时域的形状与光强度形状相同 SPM导致频率啁啾 正比于光强对时间的微分 啁啾为负啁啾 前沿红移 后沿蓝移 频率啁啾将导致脉冲谱宽增加比特率增加 SPM诱导的频率啁啾增大 如果没有光纤色散 SPM仅导致光脉冲相位变化 在传播过程中不能转化为光强度畸变 色散与SPM共同作用下脉冲的传输 正常色散区 色散和SPM均产生上啁啾 SPM加剧脉冲展宽速度 反常色散区 SPM在脉冲中心区域产生出正的线性啁啾 反常色散在整个脉冲上产生负的线性啁啾 二者具有相互抵消的效果 缓减脉冲展宽速度 但SPM将导致脉冲畸变 在适当条件下 二者的效应达到精确平衡时 实现光脉冲在光纤中的无畸变传输 光孤子 色散将使SPM诱导的相位调制转化为强度畸变 减小SPM影响的主要措施 限制光功率使用小色散光纤色散管理应用 脉冲自频移 自陡峭 脉冲压缩 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 考虑频率为 1和 2两个光信号共同传输的情况 耦合非线性薛定谔方程为 交叉 互 相位调制 XPM 求解上述方程组 可得 1的非线性相位为 第一项为SPM 第二项即是XPM 可见 2对折射率的调制 造成 1的相位调制 XPM导致的频率调制为 若E1 E2则XPM的效果将是SPM的两倍 因此XPM将加剧WDM系统中SPM的啁啾及相应的脉冲展宽效应 色散对XPM的影响 只有不同的波长信道的脉冲在时间上有交叠时 相互之间才存在XPM效应 由于色散的存在 具有不同中心波长的两个脉冲传输速度不同 形成走离现象 因此色散对XPM有影响 脉冲宽度 光纤色散 脉冲的中心频率 走离长度 减小影响的主要方法 增大信道间隔减低信号功率加大光纤色散色散管理技术 XPM与信道间隔有关 大的信道间隔 加快了信道间的走离 有助于减小XPMXPM与色散有关 大的光纤色散 加快了信道间的走离 有助于减小XPM此外 在WDM系统中 某信道的XPM是其它信道共同作用的结果XPM导致信道间的串扰 XPM与信道数有关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XPM是IM DD光纤通信系统最主要限制因素 应用 光 光相位调制 超高速 基于此机理的光信号处理技术 FWM是当多个波长信号在光纤中共同传输时 由于 3 的作用 产生新的频率成分的非线性效应 这些新生的频率分量能对系统性能造成影响的主要是 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 同频串扰 严重影响系统的性能 在n信道的WDM系统中 可能的组合有 种 四波混频 FWM dijk FWM简并因子 FWM产生的频率为 ijk的功率为 相位匹配因子 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 应用 中点谱反转 波长变换 光学混频等 受激非弹性散射 受激拉曼散射受激布里渊散射 受激非弹性散射 一 概述一个高能量光子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参与的能量子为声子 只有后向散射SRS参与的能量子为分子振动 以前向散射为主 但也有后向散射阈值功率 在光纤输出端有一半功率被损失到斯托克斯光时的入射功率 二 受激布里渊散射 SBS 2 功率阈值 fsource 光源线宽 fB 布里渊增益带宽 b 1或2 与信号光与散射光之间的偏振态有关 当两者的偏振态完全无规时b 2 gB 布里渊增益 压力波 纤芯折射率变化 音频声子 入射光波 散射入射光波产生斯托克斯散射光 电致伸缩 1 机理 对于 4 特点参与的能量子为声子只有后向散射可使较多的光散射 等效于强度相关的损耗 限制了光纤的最大入射光功率SBS效应随入纤光功率增加而增加 随光源线宽的变窄而减小反向斯托克斯散射光频偏约11GHz增益带宽窄 约20MHz 只影响本信道功率 3 增益谱 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 调相 相干通信 目前不实用 应用 窄带光放大 窄线宽激光 分布式光纤应力传感 慢光 三 受激喇曼散射 SRS 1 功率阈值 gR 喇曼增益 对于 2 SBS增益谱 2 特点参与的能量子为分子振动既有前向散射 也有后向散射增益带宽达 30THz 约125nm 增益峰值频偏约13 2THzSRS效应随光功率的增加 呈指数增长3 影响波长相关损耗 在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非线性串扰 可覆盖很大的波长范围限制WDM系统的总光功率和波长数为保证由此造成的恶化量小于0 5dB 总功率Ptotal nP n为信道数 必需满足 不考虑光纤色散 BWDM n 1 信道间隔 对于32信道 0 8nm间隔的WDM系统 单通道功率Pch 2 5mW SRS诱导的波长相关损耗和通道间串扰 4 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 5 利用 喇曼光纤放大器 SRS对传输系统的限制 应用 分布式光纤放大 喇曼光纤放大 分布式光纤温度传感 FRA原理简介 物理机制 A 光纤拉曼散射效应 SRS 一个入射光子 pump 的湮灭 产生一个下移stokes频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学光子B 与pump光子相差stokes频率的信号光子 经受受激散射过程 被放大 光纤拉曼放大器 原理简介 拉曼增益特性 取决于光学声子的振动能带峰值增益频移 13 2THz反向泵浦为主 也可同向泵浦支撑技术 14 nm的大功率泵浦激光器 目前以取得实用化 光纤拉曼放大器 原理简介 FRA以传输光纤作为放大介质 分布式放大 从而实现一种 无损耗 传输 可降低入纤光功率 避免非线性效应 光纤拉曼放大器 超低噪声放大原理 机制 拉曼增益与泵浦波长相关方法 多波长泵浦增益 各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和 以dB为单位 光纤拉曼放大器 宽带放大原理 FRA EDFA DCF混合集成的一体化部件 通道内非线性效应 通道内互相位调制 IXPM 通道内四波混频 IFWM 通道内非线性效应 IXPM IFWM 在超高速 40Gb S以上 或积累色散很大的传输系统中 色散导致光脉冲展宽造成相邻脉冲交叠 进而引起通道自身的相邻脉冲间的非线性作用 称之为通道内非线性效应 包括IXPM IFWM 相对应 在多通道系统中 不同波长信道间的非线性作用称为通道间的非线性效应 FWM XPM IXPM导致时间抖动IFWM导致幅度抖动和ghost脉冲 IFWM导致Ghost脉冲和幅度抖动 IXPM 诱导脉冲频移 timingjitter 通道内非线性效应 IXPM IFWM 通道内非线性效应与局部色散的关系 IXPM随着局部色散的增大而减小 而IFWM增呈现为增大趋势 通道内非线性效应 IXPM IFWM BasicNonlinearInteraction SingleChannel Singlechannelself phasemodulation Modulationinstability MI Self phasemodulation SPM Solitons Nonlinearintersymbolinterference PulseDistortion IntrachannelCross phasemodulation IXPM IntrachannelFour wavemixing IFWM Timingjitter AmplitudeJitter Multiplechannels WDM Four wavemixing FWM Coherentcross talk Cross phasemodulation XPM Timingjitter Pulsedistortion 10Gb sandabove 10Gb sandbelow 非线性限制 传输技术 控制色散积累 使相邻脉冲无交叠 即最大脉宽 1 B 小的脉冲峰值功率 较小的非线性作用 伪线性传输 CRZ传输 类孤子传输 伪线性传输 LD 色散长度 脉冲展宽倍时的光纤长度 无啁啾高斯脉冲色散展宽 色散管理技术 减小非线性效应造成的系统损伤 色散管理 距离 信号幅度 ASE噪声 非线性 周期分段补偿正的 反常 平均色散 欠补偿足够大的局部色散预补偿 色散管理技术 采用周期性分段补偿避免通道内非线性 如果没有非线性 色散补偿完全可以只在接收端实施 与补偿位置无关通道内非线性 IXPM IFWM 的存在 允许的脉冲展宽程度被限制也即 限制了系统允许的最大色散积累控制色散积累的措施 周期性分段补偿 集中补偿 L 色散积累 分段补偿 L Lm L1 L2 Lm 色散map周期 色散管理技术 保持正的平均色散避免SPM效应在正常色散区将加剧脉冲展宽的问题 SPM效应将诱导上啁啾 C 0 在正常色散区 2 0 将加剧脉冲展宽为此 保持正的平均色散 反常色散 避免该问题通常又称之为欠补偿 L 平均色散 色散管理技术 采用预补偿减低脉冲峰值功率减小非线性效应 预补偿使得 平均光功率最大处 EDFA输出 脉冲最宽 积累色散最大 峰值功率最低 色散管理技术 适当的局部色散折中SPM XPM FWM IXPM IFWM的影响 SPM诱导的非线性相移需通过色散才能转换为强度畸变 因此 希望小的光纤局部色散以减小这种转换但小的局部色散将延长了信道间的走离时间 增加了XPM的作用时间 加剧了XPM对系统的恶化 因此希望较大的光纤局部色散以减小XPM的影响小的局部色散同时使FWM效应要求的相位匹配条件更易满足 加剧了FWM对系统的恶化 因此希望较大的光纤局部色散以减小FWM的影响此外 IXPM随着局部色散的增大而减小 而IFWM则呈现为增大趋势研究表明 优化的局部色散在8 11ps nm km 色散管理技术 其它措施 DCF的有效面积较小 非线性系数大 因此 DCF的入纤功率要小 通常小于SMF 6dB配置DCF于EDFA级间 减小ASE积累 提高系统的OSNR采用大有效面积光纤 减低光纤非线性效应 色散管理技术 伪线性传输技术 前述的色散管理方式是基于控制脉冲展宽 避免通道内非线性的思路 类孤子传输