第8章非线性光学效应及应用

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1、光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,1,第8章 非线性光学效应及应用,8.1 非线性光学效应 8.2 光纤拉曼放大器 8.3 光纤孤子通信 8.4 波长转换器,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,2,8.1 非线性光学效应,8.1.1 非线性光学效应 8.1.2 几种光纤非线性光学效应,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,3,8.1.1 非线性光学效应,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,4,图8.1.1 强电场引起非线性光学效应,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,5,8.1.2 几种光纤非线性光学效应,在强电磁场的作用下，任何介质对光的响应都是非线性的，光纤也不例外。SiO2本身虽不是强的

2、非线性材料，但作为传输波导的光纤，其纤芯的横截面积非常小，高功率密度光经过长距离的传输，光纤非线性效应就不可忽视了。 光纤非线性光学效应是光和光纤介质相互作用的一种物理效应，这种效应主要来源于介质材料的三阶极化率3； 与其相关的非线性效应主要有受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混合（FWM），以及孤子（Soliton）效应等。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,6,1. 受激光散射,拉曼散射和布里渊散射是非弹性散射，光波和介质相互作用时要交换能量。 在高功率时，受激拉曼散射和受激布里渊散射都将导致大的光损耗。当入射光功率超过一

3、定阈值时，两种散射的光强都随入射光功率成指数增加，差别是受激拉曼散射在单模光纤的后向发生，而受受激布里渊散射则在前向发生。 受激布里渊散射限制了注入光功率，特别是相干光通信系统。 利用受激拉曼散射和受激布里渊散射的特性，把泵浦光的能量转换为光信号的能量，实现信号光的放大。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,7,2. 非线性折射率调制效应 （1）自相位调制（SPM）,在讨论光纤模式时，认为 SiO2 光纤的折射率与入射光功率无关。在低功率情况下，可得到很好的近似结果。但在高功率情况下，必须考虑非线性效应的影响。 由于非线性折射率效应，将会产生一个非线性相移。对于强度调制直接检测系统，这种相位移

4、不会产生影响，但在相干光纤通信系统中，相位的稳定性十分重要 。在相干光通信系统中，折射率对功率的依赖关系将是限制系统的一个因素。 对于很窄的光脉冲，SPM可以减少色散引起的光脉冲展宽。在光纤没有损耗时，如选择光脉冲的峰值功率与一阶光孤子的一致，光脉冲就可以保持它的幅度和形状而不会畸变。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,8,（2）交叉相位调制（XPM）,当两个或两个以上的信道使用不同的载频同时在光纤中传输时，折射率与光功率的依赖关系也可以导致XPM。这样某一信道的非线性相位移不仅与本信道的功率有关，而且与其他信道的功率有关 。 在数字通信系统中，某一信道的非线性相位移不仅与所有信道的功率有关

5、，并且与信道码型也有关，如果假设所有信道具有相同的功率，则在所有信道都是“1”码的最坏情况下，10个信道的信道功率也被限制到低于1 mW。很显然，XPM可能是一个主要的功率限制因素。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,9,（3）四波混频及其对 DWDM 系统的影响和对策,图8.1.2 四波混频产生了新的频率分量 ffwm= f 1 + f2 f3 石英光纤的三阶极化3率不为零，可以引起四波混频（FWM），如果有三个频率分别为f 1 、 f2 、 f3 的光场同时在光纤中传输，3将会引起频率为f4的第四个场 f4= f 1 f2 f3 在多信道复用系统中，ffwm= f 1 + f2 f3组合

6、最为不利，特别是当信道间隔相当小的时候（约1 GHz），相位匹配条件很容易满足，有相当大的信道功率可能通过四波混频被转换到ffwm光场中。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,10,8.2 光纤拉曼放大器,EDFA只能工作在1 5301 564 nm之间的C 波段； 光纤拉曼放大器可用于全波光纤工作窗口。 因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益 光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,11,8.2.1 光纤拉曼放大器的工作原理,增益介质：系统传

7、输光纤； 工作原理：基于非线性光学效应，利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射，使组成光纤的硅分子振动和泵浦光之间发生相互作用，产生比泵浦光波长P还长的散射光（斯托克斯光P R ）。 该散射光与波长相同的信号光s 重叠，从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。 就石英玻璃而言，泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频率差大约为13 THz，在1.5 m波段，由附录G可知，它相当于约100 nm的波长差，即有100 nm的增益带宽。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,12,分布式拉曼放大器（DRA）的 工作原理,采用拉曼放大时，放大波段只依赖于泵浦光的波长，没有像EDFA那样的放大波段的限制。从原理

8、上讲，只要采用合适的泵浦光波长，就完全可以对任意输入光进行放大。 分布式光纤拉曼放大器（DRA）采用强泵浦光对传输光纤进行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦，因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。图8.2.1为采用前向泵浦的分布式光纤拉曼放大器的构成和能级图。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,13,如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输， 并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内， 产生比泵浦光波长还长的散射光（斯托克斯光）。该散射光与波长相同的信号光重叠，从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。,图8.2.

9、1 分布式拉曼放大器的工作原理,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,14,受激拉曼散射 (SRS)本质上 与受激光发射(SOA)不同,在受激发射中，入射光子激发另一个相同的光子发射而没有损失它自己的能量； 但在SRS中，入射泵浦光子放弃了它自己的能量，产生了另一个较低能量（较长波长）的光子。 与SOA电泵浦不同，SRS必须光泵浦，也不要求粒子数反转。事实上，SRS是一种非谐振非线性现象，它不要求粒子数在能级间转移。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,15,a）介质受激拉曼散射放大信号光的能级图 泵浦光和信号光的频率差称为斯托克斯（Stokes）频差 在SRS过程中扮演着重要的角色。由分子振动

10、能级确定的 值决定了发生SRS的频率（或波长）范围。 幸好，由于玻璃的非结晶性，硅分子的振动能级汇合在一起就构成了一个能带，如图8.2.2（a）所示，其结果是信号光在很宽的频率范围内（约20 THz），通过SRS仍可获得放大。,8.2.2 拉曼增益和带宽,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,16,图8.2.2b 受激拉曼散射能级和 拉曼放大增益频谱,b) 测量到的拉曼增益系数频谱 增益带宽可以达到约8 THz。光纤拉曼放大器相当大的带宽使它们在光纤通信应用中具有极大的吸引力。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,17,图8.2.3 小信号光在长光纤内的拉曼增益,由图可见，又一次实验证明，信号光

11、和泵浦光的频率差为13.2 THz时，拉曼增益达到最大,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,18,8.2.3 放大倍数和增益饱和,图8.2.4表示测量到的光纤拉曼放大增益或放大倍数与泵浦功率的关系，该实验使用的光纤拉曼放大器长1.3 km，泵浦光波长和信号光波长图中已标出。放大倍数开始随泵浦光指数增加，但是当泵浦功率大于1W时，因为增益饱和，开始偏离指数规律。 由图可见，实验结果和按式（8.2.3）和式（8.2.4）的计算值符合得很好，1.5 W的泵浦功率可以获得30 dB的增益。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,19,8.2.4 噪声指数,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,20,8.2

12、.5 多波长泵浦增益带宽,增益波长由泵浦光波长决定，选择适当的泵浦光波长，可得到任意波长的光信号放大。 分布式光纤拉曼放大器的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果，所以它是由泵浦光波长的数量和种类决定的。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,21,该图表示6个泵浦波长单独泵浦时，产生的增益频谱和总的增益频谱曲线。 由图可见，当泵浦光波长逐渐向长波长方向移动时，增益曲线峰值也逐渐向长波长方向移动。,图8.2.5 多波长泵浦增益频谱,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,22,可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦，因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声

13、对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。,光纤分布式喇曼放大器（DRA）构成 -后向泵浦,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,23,8.2.6 光纤拉曼放大（DRA）技术应用,由于DRA采用分布光纤增益放大技术，其噪声系数明显比传统的光纤拉曼放大器小。因此，DRA与EDFA的组合使用，可明显地提高长距离光纤通信系统的总增益，降低系统的总噪声，提高系统的Q值，从而可以扩大系统所能传输的最远距离。 由于DRA与EDFA的组合使用，扩大了系统传输的距离，从而减少了均衡、再生和定时功能（3R）中继器的使用数量，降低了系统的成本，可获得更大的商业利润。 DRA也是提升现有的光纤线路到40 Gb/s和100

14、Gb/s的关键器件。 由于使用DRA减小了入射信号的光功率，降低了光纤非线性的影响，从而避免了四波混频效应的影响，可使DWDM系统的信道间距减小，相当于扩大了系统的带宽容量。另外，由于四波混频效应影响的减小，允许使用靠近光纤的零色散点窗口，光纤的可用窗口也扩大了。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,24,图8.2.6 光功率在分布式光纤拉曼放大 传输光纤中的分布,由图可见，在光纤的后半段，信号光功率电平已足够低，所以不会产生光纤的非线性影响。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,25,8.3 光纤孤子通信,光纤孤子通信系统是又一个光纤非线性应用的典型事例。 孤子（soliton）被用来描述在

15、非线性介质中脉冲包络像粒子的特性，在一定的条件下，该包络不仅无畸变的传输，而且存在着像粒子那样的碰撞特性。 光纤中也存在孤子，光孤子是一种特别的波，它可以传输很长的距离而不变形，而且即使两列光孤子波相互碰撞后，依然保持各自原来的形状不变。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,26,8.3.1 基本概念,光纤孤子的存在是光纤群速度色散（GVD）和自相位调制（SPM）平衡的结果。大家知道群速度色散和自相位调制单独作用于光纤传输的光脉冲时均限制光纤通信系统的性能。 群速度色散使传输波形展宽，而自相位调制则使波形中较高频率分量不断累积，使波形变陡。若将这两种对立因素结合在一起，相互平衡就有可能保特波形

16、稳定不变。 光孤子现象就是利用随光强而变化的自相位调制特性来补偿光纤中的群速度色散，从而使光脉冲波形在传输过程中始终维特不变。光纤传输损耗则由光纤放大器的增益来补偿，这样就可能使光脉冲经过长距离传输后仍然维持波形的幅度和波形不变，形成所谓的“光孤子”。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,27,图8.3.1 光孤子通信系统构成框图,孤子源是一个光孤子激光器，用来发射光孤子。调制器用来对光孤子进行编码，使之承载信息。孤子放大传输线路，包括传输光孤子的色散移位光纤和周期性地放大孤子的光纤放大器。探测器对光孤子进行探测。除此之外，还有光隔离器、超高速光电子集成电子线路等。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,28,光孤子通信系统的工作原理,光孤子源产生一列脉冲很窄，占空比又很大的光脉冲，即孤子序列，作为信息的载子进入光调制器。 信息通过光调制器对孤子调制，使之承载。被调制后的孤子流经掺铒光纤放大器放大后耦合进入传输光纤。 为了克服光纤损耗引起的孤子展宽，在光纤线路上周期性地插入光纤放大器，向光孤