《通工专业-光纤通信技术-第十一章-光纤通信新技术讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通工专业-光纤通信技术-第十一章-光纤通信新技术讲解（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光纤通信技术 Optical Communication,西安邮电大学通信与信息工程学院 通信工程系,11.1 新型光纤技术 11.2 全光光纤通信技术 11.3 相干光通信,第11章 光纤通信新技术,11.1.1 光纤的非线性效应,在常规光纤通信系统中，光纤中的光场较弱，此时光纤是无源媒质，也称为线性媒质，光纤的各项特征参量随光场作线性变化。随着密集波分复用技术和掺铒光纤放大器技术的不断进步，光纤中所传输的波长数越来越多，进入光纤的光功率不断增大，此时光纤开始呈现出非线性光学特性。非线性光学效应的强弱不仅与光强有关，而且与相互作用的长度有关。由于光纤的损耗极小，可以在较长的距离上保持高的光强
2、度，这大大增加了相互作用的长度，从而使非线性光学效应成为最终限制系统性能的因素。,1. 非线性光学效应 非线性光学效应是强光场与物质相互作用，由于非线性极化所产生的一些现象。当外电场强度足够大时，P与E不再成线性关系，其关系可用级数表示为,式中第一项为线性极化项，第二项、第三项等等为非线性极化项。 将非线性极化项展开，可以看到大量的非线性光学效应。二阶非线性极化项可以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。,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产生的效应。包括：受激
3、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产生的效应。包括：自相位调制(SPM)、互相位调制(XPM)和四波混频(FWM),非线性效应概述,SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。 SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲展宽，尤其在高速系统中。,在光纤中传输中光脉冲，脉冲从前到后频率有变化叫做啁啾。,受激非弹性散射,1.概述 受激非弹性散射：散射光频率下移，光场把部分能量传递给介质。 一个
4、高能量光子（通常称为泵浦）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参与的能量子为声学声子，只有后向散射 SRS参与的能量子为光学声子，以前向散射为主，但也有后向散射,在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将指数增长。是一种阈值行为。 阈值功率：在长度为L的光纤输出端因非弹性散射而损耗了50%的输入功率，这个输入功率叫做阈值功率。,受激非弹性散射,受激布里渊散射（SBS）（1）,2、阈值功率,1、机理,SBS可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。可看作是一个泵浦光子的湮灭
5、，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子。,阈值功率Pth与光纤的衰减系数、光纤有效长度Leff、布里渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：,L足够长时，Leff 1/，而Aeff可用w2代替，w为模场半径,峰值增益gB510-11m/W，这样Pth可低至1mW，特别是在1550nm最低损耗处，将极大地限制光波系统的注入功率。但以上估计忽略了与入射光有关的谱宽效应，在典型系统中阈值功率可增大至10mW或更高。,受激布里渊散射（SBS）（2）,3、特点 增益带宽窄（约10GHz），这说明SBS效应被约束在WDM系统的单个波长信道内。 阈值功率与光源线宽有关，光源线宽越窄，阈值功
6、率越低,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）,5、一般情况下，SBS在光纤通信系统中是一种有害的因素，应注意减小。但由于它能通过将具有合适波长的泵浦场的能量传递给另一波长的光场，使该光场得到放大，所以能用于制造布里渊放大器。但由于其增益谱宽窄，放大器的带宽也很窄。,受激布里渊散射（SBS）（3）,受激喇曼散射（SRS）（1）,SRS：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。 SRS是非线性光纤光学中一个很重要的非线性过程，它可使光纤成为宽带喇曼放大器和可调谐喇曼激光器，也可使某信道中的能量转移到相邻
7、信道中，从而严重影响多信道光通信系统的性能。,受激喇曼散射（SRS）（2）,1、功率阈值,gR-喇曼增益,SRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功率一般低于10mW，因此SRS一般对光纤损耗不起作用。,1 2 3 4,1 2 3 4,fiber,2、特点 增益带宽宽（约125nm），影响其它信道功率 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。,受激喇曼散射（SRS）（3）,3、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,4、利用：喇曼光纤放大器,高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为FRA的实现奠定了坚实的基础。 F
8、RA可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大。,受激喇曼散射（SRS）（4）,二、 非线性折射率,在较高入射光功率下，纤芯折射率应表示为：,光场幅度的有效值或均方根,线性折射率,非线性折射率或Kerr系数,折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。,自相位调制SPM,折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变化，使传播常数增加了一附加项：,由模场自己产生的非线性效应而引起的非线性相移称为自相位调制，信号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。,线性传输时的传播常数,非线性系数,光纤中传输的功率,频率啁啾,相位调制导致
9、的频率啁啾为：,频率啁啾随传输距离增大而增大，因此随着光脉冲沿光纤传输将不断产生新的频率分量，频谱将不断展宽。脉冲频谱的展宽程度还与脉冲形状有关。,SPM特点,SPM导致频率啁啾，正比于光强对时间的微分 频率啁啾将导致脉冲谱宽增加 SPM与色散共同作用，在正常色散区，加剧脉冲展宽速度；在反常色散区减低脉冲展宽速度(但SPM将导致脉冲畸变)，在一定条件下，可以使色散效应与SPM效应互相抵消，实现脉冲无畸变传输-孤子 非线性效应产生的自相位调制一般不大，对IM/DD系统无关紧要，但在级联放大系统和WDM系统中则不容忽视，在相干波系统中也不能忽视,四波混频FWM,FWM： 光纤中不同波长的光波相互作
10、用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。,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，严重影响系统的性能。,1,2,3,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（破坏相位匹配）,11.1.2 光的双折射和偏振,1. 光的双折射 当一束单色光入射到各向异性介质表面时，产生两束折射光，这种现象称为光的双折射。双折射中的两束光，一束总是遵守折射定律，称这束光为寻常光或光，另一束光则不然，一般情况下它是不遵守折射定律的，称为非寻
11、常光或e光。光和e光都是线偏振光，而且光的振动画垂直于晶体的主截面，而e光的振动面在主截面内，两者振动面相互垂直。若光折射率为，e光折射率为，则,是用来描述晶体双折射特征的重要参数。,克尔效应,某些各向同性的透明介质在外加电场的作用下变为各向异性，因而能产生双折射现象，这时的介质具有单轴晶体的特性。光轴的方向沿着外加匀强电场的方向。实验证明，光线与电场成垂直方向入射时，所产生的双折射程度，即折射率之差：,式中，k为克尔常数，它由介质本身的性质来定，是入射光的波长，E为外加电场。,克尔效应的最重要的特点是几乎没有延迟时间，它随电场的产生和消失迅速的产生与消失，利用科尔效应制成的克尔开关作为一种高
12、速光开光，被广泛应用于许多科学领域，如高速摄影、电影、电视及脉冲激光器的Q开光等。,普克尔效应 有些晶体特别是压电晶体加上电场后其各向异性的性质发生变化：这种效应的特点是线性的，即折射率的变化和外加电场成线性关系。所以利用这种效应可以把电信号的变化变成光强度的变化，从接通电源到建立电致光效应所需时间一般小于10秒，因此可获得2.5Hz的调制带宽，因而近年来常用作高速光开关好和带宽光调制器。,2.偏振光,如果在光波中，光矢量的振动方向在传播过程中保持不变，只是它的大小随相位变化，这种光称为线偏振光，线偏振光的光矢量与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面，与光矢量振动方向垂直且包含传播方向的面称为
13、偏振面。,2.偏振片,把自然光变为偏振光的器件称为偏振器。自然光通过二向色性的物质制成的薄片后就变为了偏振光，这种起偏器常称为偏振片，所谓二向色性是指某些各向异性的晶体对不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数的性质，人造偏振片就是利用这种性质制成的。,11.1.3 光纤孤子,光孤子(Soliton)是一种光脉冲序列，它在光纤中长距离传输时能保持它的形状不变。 光纤孤子通信是新一代高速长距离(如海底通信)光纤通信系统的理想选择。,光纤非线性效应和色散单独作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变， 因而
14、形成光孤子。 光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。 光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。 其传输距离可达上万公里，甚至几万公里，目前还处于试验阶段。,11.1.4 光孤子通信技术的基本原理,非线性薛定谔方程及解法 根据光学知识，光脉冲可以用下列式子表示： E(z,t)=A(z,t)expj(0t-0z) 其中：A(z,t)是脉冲包络。 对于常用的直接检波光通信系统关心光脉冲的包 络情况。,在考虑色散作用下，并引入光纤非线性效应中自相位调制作用时，光脉冲包络的传输方程可写为下
15、式： 式中：A(z,t)为脉冲包络，1=1/g，2为群速度色散系数，3为高阶色散系数，是代表自相位调制效应的非线性系数。 研究发现，只有方程的一个系数N为整数时，才有解。 且当N=1时，该解的包络与传输距离无关，即其在光纤中保形传输。,11.1.4 光孤子通信技术的基本原理,只要控制好输入脉冲的初始功率和脉宽，并选择合适色散和非线形度量的光纤，可得到N=1时的弧子脉冲，该脉冲在光纤中传播的时候，如何忽略光纤损耗的情况下，其脉冲包络的幅度和形状不会发生变化。,11.1.4 光孤子通信技术的基本原理,11.1.4 光孤子通信技术的基本原理,33,光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，
16、作为信息的载体进入光调制器， 使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。 为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA， 向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。,2. 常见的光孤子源 光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光 孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形 状和峰值。光孤子源有很多种类，主要有： （1）自锁模掺铒光纤孤子激光器； （2）法布里珀罗光纤孤子激光器； （3）DFB激光器/外调制孤子源； （4）DFB激光器/集成调制孤子源,11.1.4 光孤子通信技术的基本原理,目前，光孤子通信系统已经有许多实验结果。例如，对光纤线路直接实验系统， 在传输速率为10 Gb/s时，传输距离达到1000 km； 在传输速率为20 Gb/s时， 传输距离达到350 km。 对循环光纤间接实验系统， 传输速率
