光纤通信第六章1-概述和非线性

1、2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪1第第6.16.1讲讲 WDMWDM长距离传输的限制因素极其长距离传输的限制因素极其抑制技术抑制技术一、概况一、概况二、非线性光学效应及其对光纤通信的影响二、非线性光学效应及其对光纤通信的影响三、色散的积累与补偿三、色散的积累与补偿2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪2l EDFA的的ASE噪声的积累噪声的积累 和和OSNR的下降的下降l 群速度色散高阶色散导致群速度色散高阶色散导致 信号眼图劣化信号眼图劣化l 各种非线性光学效应的影各种非线性光学效应的影 响响l PMD的影响的影响ASE噪声的积累噪声的积累XPM对信号质量的影响对信号质

2、量的影响长距离传输中的限制因素长距离传输中的限制因素2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪3支撑超长距离传输的新技术支撑超长距离传输的新技术v非线性效应抑制技术非线性效应抑制技术v色散和偏振模色散补偿技术色散和偏振模色散补偿技术v低噪声放大技术低噪声放大技术v新型调制格式新型调制格式v前向纠错编码（前向纠错编码（FEC）2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪4二、非线性光学效应及其对光纤二、非线性光学效应及其对光纤通信的影响通信的影响 1、非线性光学效应、非线性光学效应2、受激光散射、受激光散射3、折射率调制、折射率调制2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪51、非线性

3、光学效应、非线性光学效应非线性极化非线性极化v弱光场时，光纤是线性煤质满足线性叠加原理，光频率不发生转换v强光场时，光纤发生非线性极化0000(1)rPEDEPEEE tititieEeEeEE321)()()(332211+C.C2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪6(1)(2)00PE (3)0.EEEEE cmVEE/101800)3()4()2()3()1()2(线性极化项二阶非线性极化项三阶非线性极化项 将二阶和三阶非线性极化项展开，可以看到各阶非线性效应。原子内部的库仑场2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪7 2）非线性光学效应）非线性光学效应v 二阶非线性极化

4、项产生各入射基波分量的二次谐波（倍频波）、和频波、差频波以及一个直流电场，相应的效应分别为倍频、和频、差频以及光整流效应。普科尔（Pocket）效应也与二阶非线性极化项有关。 光纤通常不显示二阶非线性效应。v 三阶非线性极化项导致克尔（Kerr）效应、双光子吸收、光波的自作用（自聚焦、自相位调制）以及受激散射（受激Raman 散射和受激布里渊散射）等现象。这些也是影响光纤通信的主要的非线性光学效应 。v 根据介质中原子终态与初态是否相同，非线性光学效应分为参量过程（非激活的）和非参量过程（激活的）。 2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪83）Non-Linear Effects in

5、 Fiber Stimulated Scattering Effects 受激光散射 Interaction between photons and phonons Stimulated Raman Scattering (SRS) 受激喇曼散射 Stimulated Brillouin Scattering (SBS) 受激布里渊散射 Refractive Index Effects 非线性折射率调制 Modulation of refractive index by light intensity(nonlinearity of induced polarization: P = 0 E

6、+ 0 (3) E3 ) Self Phase Modulation (SPM) 自相位调制 Cross Phase Modulation (CPM）交叉相位调制 Four-Wave Mixing (FWM) 四波混频2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪9 2、受激散射效应受激散射效应 1）受激喇曼散射受激喇曼散射 (SRS) 晶体中原子的振动形成晶体中的格波，格波的能量是量子化的，对频率为的格波，它的每份能量是h，被称为一个声子。格波解分为两支，光学支声子和声学支声子，光学支声子参与的光散射是受激喇曼散射，声学支声子参与的光散射是受激布里渊散射。 喇曼散射的基本过程 ： Stoke

7、s过程： ，光波产生下频移 反Stokes过程： ，光波产生上频移 Stokes过程是主要的。 喇曼增益谱宽insvainvhhhhhh2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪102022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪11effRLIgsssRseILIdzIIgdI0)0()(0自发喇曼散射和受激喇曼散射自发喇曼散射和受激喇曼散射gR 7 *10-12 cm/WLLzeffedzeL0/)1(drdrrIdrdrrIAeff),(),(222022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪12 受激受激 Raman 散射对光纤通信的影响散射对光纤通信的影响 限制了光纤中传输的最大功

8、率。 对单信道系统，临界功率16effeffcRLAPgpc 是散射光功率变是散射光功率变得与注入光相当时得与注入光相当时的注入功率。的注入功率。Pc2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪13siijnijsjeffjijRijisjeffijiRjsisippAKgpAKgpdzdp111n 引起波分复用系统中的串扰引起波分复用系统中的串扰. K 是与偏振有关的系数， 如果i 和j 偏振方向相同， K=1； 若i 和j 偏振方向完全扰乱，K=2 。较短波长信道的功率向较长波长信道转移较短波长信道的功率向较长波长信道转移 2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪14当两个信道都是

9、“1”码时诱发出的喇曼散射最厉害，串扰最明显 2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪15 SBS的特点的特点 后向散射为主； 增益系数大，gB 4 10-9 cm/W； 阈值低，阈值功率由式 决定，对常规单模光纤，阈值功率约为4毫瓦； 增益系数与泵浦激光器的谱线宽度有关 频移小，仅有数十MHz。2）受激布里渊散射）受激布里渊散射 (SBS)0(/)BBBpGG2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪163、折射率的非线性调制、折射率的非线性调制1) 折射率与光强有关的现象是由折射率与光强有关的现象是由 引起的引起的 effApnnInnn/2020)3(020202/effeff

10、nnn Inn p Ak n p A2）自相位调制）自相位调制2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪17dtdpALndtdpALndtdpALnkdzepAnkdzzpAnkdzineffeffineffeffNLspmineffeffLzineffLeffLNL2220020020022121)()(引起频率啁啾引起频率啁啾2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪18发射功率为5mW, 10Gb/s的信号, 在G.655光纤传输传输40km 发射功率为50mW, 10Gb/s的信号, 在G.655光纤传输传输40km自相位调制的影响（自相位调制的影响（OpticSimu平台仿

11、真）平台仿真）2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪193) 交叉相位调制（交叉相位调制（XPM） dtdpALnineffeffXPM22（OpticSimu平台仿真）平台仿真）一路10毫瓦的信号三路10毫瓦的信号2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪204) 四波混频四波混频(FWM)v特点特点: 折射率的非线性调制引起折射率的非线性调制引起 参量过程参量过程v两种情况两种情况: 三个光子合成一个光子三个光子合成一个光子 两个光子两个光子湮灭湮灭 v四波混频发生的条件四波混频发生的条件 能量守恒能量守恒 动量守恒动量守恒 (相位匹配相位匹配)4123123434213344

12、2211 =(+)/0kkkkknnnnc41232322322022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪212022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪225）非线性光学效应的抑制）非线性光学效应的抑制v限制入纤功率限制入纤功率 在信号噪声比和信号非线性串扰比之间均衡考虑。如322.5Gb/s系统主光通道的总功率在17-20dBm。v保留适当的色散保留适当的色散 色散是一种制约非线性光学效应的物理过程。非零色散位移光纤运应而生。v加大光纤的有效面积加大光纤的有效面积 大有效面积NZDSF 纯石英芯子单模光纤（有效面积达到110m2 ）2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪236)

13、 光孤子通信光孤子通信v 当光强较低时，脉冲在时域展宽；主要表现出当光强较低时，脉冲在时域展宽；主要表现出光纤的色散效应；光纤的色散效应；v SPM引起的啁啾在一定条件下可以补偿群速度引起的啁啾在一定条件下可以补偿群速度色散色散光孤子通信；光孤子通信；v 孤子现象是非线性薛定谔方程的解。孤子现象是非线性薛定谔方程的解。021222UUTUZUi U是归一化的光波电场强度的复幅度的包络，是归一化的光波电场强度的复幅度的包络，T是归一化是归一化时间，时间，Z是归一化距离。是归一化距离。“+”对应反常色散，对应反常色散，“-”对应正常对应正常色散。色散。2022-3-3光纤通信系统北京邮电大学顾畹仪24薛定谔方程的解薛定谔方程的解 （1）设输入光脉冲为）设输入光脉冲为sech形，超短脉冲在反形，超短脉冲在反常色散光纤中传输，在常色散光纤中传输，在较强的某一功率下，较强的某一功率下，SPM效应正好抵消了群效应正好抵消了群速度色散，结果导致在速度色散，结果导致在没有损耗的情况下，脉没有损耗的情况下，脉冲沿光纤传输时波形保冲沿光纤传输时波形保持不变，这种孤子被称持不变，这种孤子被称为基本光孤子。为基本光孤子。 2022-3-3光纤通