非线性光纤光学参考书 经典PPT课件

1、非线性光纤光学,闫培光 2010.3,.,2,上课思想和参考教材,上课欢迎讨论，相互进步！ 涉猎！多学科交叉型人才。 光纤通信（第二版）：原荣编著 非线性光纤光学：,.,3,.,4,讲解内容：,光纤通信课程：简单回顾，深入剖析 涉及：光纤，半导体激光器、光电检测器、光无源器件、波分复用技术等。 非线性光纤光学：重点学习，深入了解。 涉及：脉冲在光纤内传输、群速度色散、自相位调制、光孤子等。,.,5,绪论,光纤通信概念 光纤结构与原理：TIR/PBGF 光纤制作方法：MCVD/PCVD 光纤传输特性：损耗、色散、偏振 光纤非线性效应：,.,6,一.光纤通信,光纤通信（optical fiber

2、communication）是以激光作为信息的载波信号，并以光导纤维来传递信息的通信系统。 是人类通信史上的一大突破，已成为信息社会的神经系统。 直接造就了信息社会！直接改变了生活！,超高速、超大容量、超长距离,.,7,二.光纤结构与导光原理,光纤（Optical Fiber）是“光导纤维”的简称，是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率n1比包层n2稍高，光能量主要在纤芯内传输。,.,8,单、双包层结构,.,9,导光原理,全内反射： 光子带隙：指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微

3、波与声波波段。 周期结构可以通过缩放尺寸关系扩展至很宽的频率范围，甚至到毫米波和微波波段,.,10,.,11,三.制作方法,MCVD法 PCVD法,.,12,四.光纤的传输特性,产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，影响信号在光纤内传输距离的是损耗，因此损耗和色散是光纤最重要的传输特性： 损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量和传输距离,.,13,光纤的传输特性：光纤损耗,习惯上的单位用dB/km，损耗系数,设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，输出光功率Po为,损耗的存在 光信号幅度减小 限制系统的传输距离 。 光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示,.,14,

4、1. 损耗的机理,.,15,吸收损耗,红外吸收和紫外吸收 产生吸收的原因是？,.,16,杂质吸收,光纤中含有过渡金属离子：铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等和水的氢氧根离子。,.,17,散射损耗,散射损耗是光纤中由于某种远小于波长的不均匀性（折射率不均匀性、掺杂粒子浓度不均匀性等）引起的对光的散射所造成的光功率损耗。 由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比，所以光纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。,.,18,光纤的传输特性：光纤色散,色散：光纤中的光信号由不同成分（如不同模式、不同频率）组成， 在传输过程中，各种频率成分或各种模式成分的传播速度不同，引起信号脉冲展宽、波形失真

5、的物理现象。,*小知识点 光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，脉冲展宽导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。 为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。 另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。,.,19,脉冲展宽（Pulse Spreading）,time,Pulse from zero-order mode,Pulse from highest-order mode,Pulses from other modes,Resulting pulse,T,T,T,T

6、,T,.,20,色散产生的根源是：光子与介质的束缚电子的特征谐振频率有关。共振处：强烈吸收；远离共振处：也受影响。,.,21,色散的种类,模式色散又称模间色散 材料色散 波导色散 极化色散,*模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。单模光纤中只传输基模（ HE 11模），单模光纤中不存在模式色散。 *材料色散：不同材料对不同波长的折射率不同，故而速度不同。 *波导色散：同一光子在不同口径的管道中爬行！ *极化色散：光子的偏振态，快慢轴概念。,.,22,光纤材料色散方程Sellmeier方程,Sellmeier方程：,n2 - 1 =

7、 C12/(2-C2) + C32/(2-C4) + C52/(2-C6),,%SF6 glass C1=1.72448482; C2=0.0134871947; C3=0.390104889; C4=0.0569318095; C5=1.04572858; C6=118.557185,%Si C1=10.6684293; C2=0.301516485; C3=0.003043475; C4=1.13475115; C5=1.54133408; C6=1104.0,作业：Matlab编程序计算色散,.,23,色散展开与高阶色散系数求解,.,2

8、4,波导色散的再介绍,特点：改变光纤的折射率分布和剖面结构参数，可以改变波导色散的值，从而在所希望的波长上实现材料色散和波导色散的代数和为零。,.,25,基于色散形成的光纤分类,从通信上考虑，要求尽可能损耗小、色散小！ ITU-T是国际电信联盟，电信标准化部门， 成立于1993年，它的前身是国际电报和电话咨询委员会（CCITT）。ITU-T研究和制订除无线电以外的所有电信领域标准，已通过的建议书有2600多项。 由ITU-T提供的业界分类有以下几种， G.652光纤， G.653光纤， G.654光纤， G.655光纤，G656光纤,作业2：详细调查这些光纤的参数，打印出来，上交,.,26,G

9、.652光纤：常规单模光纤 G.653光纤：色散位移光纤（光纤零色散点从1.31m处移到1.55m附近，使得1.55m处最低衰减和零色散一致，用于通信干线网） G.654光纤：截止波长光纤（截止波长大于1.31m ，损耗进一步降低到0.185dB/km1.55m） G.653和G.654的弊端：易于产生四波混频，造成信号串扰。 FWM是一种非线性光学效应，与光纤的色散有关，零色散时混频效率最高，有微量色散，FWM干扰反而会减小。 G.655光纤：非零色散位移光纤（零色散波长在1.525m或1.585m处，削减了色散效应和四波混频效应，在10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用的高速率、大容量、远距离光纤传输系统中得到极为广泛地应用。）,.,27,三种光纤色散情况比较,.,28,*一个概念,光纤的正常色散和反常色散,.,29,双折射光纤*概念,模式双折射 拍长,.,30,实现双折射的方法,形状双折射：如椭圆芯 应力双折射