【正文】 ps。 ? 如果采用線寬為 300 MHz的 DFB激光器，在 1 Gbps 調(diào)制速率下光譜被展寬 2 GHz，即光源譜寬為 2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波長(zhǎng) ). 則傳輸 10 公里距離，色散脈沖展寬值為 : D = 17ps/nm/km .02 nm 10 km = ps ? 顯然這種情形下， 1 Gbps速率光通信系統(tǒng)沒有任何問題。 132 光纖的非線性效應(yīng) ? 在很強(qiáng)的光場(chǎng)作用下，光纖的各種特征參量會(huì)隨光場(chǎng)呈非線性變化。 ? 光纖的非線性效應(yīng)是指在強(qiáng)光場(chǎng)的作用下，光波信號(hào)和光纖介質(zhì)相互作用的一種物理效應(yīng)。 –一類是由于散射作用而產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，如受激喇曼散射及布里淵散射； –另一類是由于光纖的折射指數(shù)隨光強(qiáng)度變化而引起的非線性效應(yīng)，如自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制以及四波混頻等。 133 單信道 多信道 折射率效應(yīng) 光強(qiáng)度波動(dòng)引 起的折射率的 調(diào)制 自相位調(diào)制 (SPM) 交叉相位調(diào)制 (XPM) 四波混頻 (FWM) 散射效應(yīng) 受激布里淵散射 (SBS) 受激拉曼散射 (SRS) 光纖的非線性效應(yīng) 134 光纖非線性的形成 ? 單信道系統(tǒng)，功率水平 10mw,速率不超過 時(shí)，光纖可以作為線性介質(zhì)處理，即：光纖的損耗和折射率都與信號(hào)功率無關(guān) ? WDM系統(tǒng)中，即使在中等功率水平和比特率下，非線性效應(yīng)也很顯著。 ? 非線性效應(yīng)的產(chǎn)生的原因是：光纖傳輸損耗（增益）和折射率以及光功率相關(guān)。 ? 非線性相互作用取決于傳輸距離和光纖的橫截面積。 135 折射率非線性變化 ? 光纖折射率隨光功率變化： n=n0 + n2P/Ae 其中 P 是光功率， Ae 是光纖有效截面積 ? 折射率變化引起光波相位變化，導(dǎo)致光脈沖展寬 ，形成 SPM, XPM and FWM ? 在負(fù)色散區(qū)導(dǎo)致色散代價(jià)；在正色散區(qū)，導(dǎo)致色散補(bǔ)償 136 自相位調(diào)制 (SPM) ? 自相位調(diào)制（ SPM）的產(chǎn)生是由于本信道光功率引起的折射率非線性變化，這一非線性折射率引起與脈沖強(qiáng)度成正比的感生相移，因此脈沖的不同部分有不同的相移，并由此產(chǎn)生脈沖的啁啾 ? SPM效應(yīng)在高傳輸功率或高比特率的系統(tǒng)中更為突出。 ? SPM會(huì) 增強(qiáng)色散的脈沖展寬效應(yīng)。從而大大增加系統(tǒng)的功率代價(jià)。 137 SPM的特點(diǎn) ? E(Z,t)=Ecos(wotBoz) ? 自相位調(diào)制（ SPM）：電場(chǎng) E（ z,t）的相位隨E2z變化，即： SPM引起的相位變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度 E2與傳播距離 z。 ?????? ?? 2)3(00 83 ExnncwB138 交叉相位調(diào)制 (XPM) ? 交叉相位調(diào)制（ XPM）的產(chǎn)生是由于外信道光功率引起的折射率非線性變化，導(dǎo)致相位變化 ? 相位正比于 ，其中第一項(xiàng)來源于 SPM，第二項(xiàng)即交叉相位調(diào)制 (XPM)。 ? 若 E1=E2 則 XPM的效果將是 SPM的兩倍。因此 XPM將加劇 WDM系統(tǒng)中 SPM的啁啾及相應(yīng)的脈沖展寬效應(yīng)。 ? 增加信道間隔可以抑制 XPM ? DSF高速 (≥ 10Gb/s)WDM系統(tǒng)中， XPM將成為一個(gè)顯著的問題。 zEEE )2( 1221 ?139 四波混頻 (FWM) ? 折射率對(duì)于光強(qiáng)的相關(guān)性，不僅引起信道中的相移，而且產(chǎn)生新頻率分量的信號(hào)，這種現(xiàn)象稱為四波混頻（ FWM） ? 三光子混頻： w4= w1+w2+w3 ? 兩光子混頻： w4+w3= w1+w2 ? 單光子混頻： w4+w3= 2wp?? (wp=w1=w2) ? 兩束光產(chǎn)生混頻兩個(gè)邊帶： 斯托克斯頻率： wS= 2w1?w2? 反斯托克斯頻率： wA= 2w2?w1 140 Four Wave Mixing Effects 141 四波混頻的特點(diǎn) ? FWM的影響有賴于相互作用的信號(hào)之間的相位關(guān)系。如果相互作用的信號(hào)以同樣的群速度傳播（無色散時(shí)就是這種情況），則 FWM的影響加強(qiáng)，另一方面，如果存在色散，不同的信號(hào)以不同的群速度傳播，因此不同光波之間的交替地同相疊加和反相疊加，其凈效果是減小了混頻的效率。在有色散的系統(tǒng)中，信道間隔越大，群速度的差異就越大。 ? 色散位移光纖中的色散值很低， FWM效率要高得多。 ? 在色散位移光纖中，信道數(shù)增加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的 FWM項(xiàng) ? 信道間隔減小時(shí)，相位失配減小， FWM效率增加 ? 信號(hào)功率增加， FWM呈指數(shù)增加 142 降低 FWM的措施 ? 仔細(xì)選擇各信道的位置 ， 使得那些拍頻項(xiàng)不與信道帶寬范圍重疊 。 這對(duì)于較少信道數(shù)的 WDM系統(tǒng)是可能的 ， 但必須仔細(xì)計(jì)算信道的確切位置 。 ? 增加信道間隔 ， 增加信道之間的群速度不匹配 。 但缺點(diǎn)是增加了總的系統(tǒng)帶寬 ， 從而要求放大器在較寬的帶寬范圍內(nèi)有平坦的增益譜 ， 另外還增加了 SRS引起的代價(jià) 。 ? 增加光纖的有效截面，降低光纖中光功率密度。 ? 對(duì)于 DSF使用大于 1560nm的波長(zhǎng)。這種方法的思路是：即使對(duì)于 DSF，這一范圍內(nèi)也存在顯著的色散量，從而可以減小 FWM的效率。這依賴于 Lband的 EDFA。 ? 針對(duì)不同的波長(zhǎng)信道引入延時(shí)，從而擾亂不同波長(zhǎng)信道的相位關(guān)系。 143 受激布里淵散射 (SBS) ? 受激布里淵散射（ SBS）是由于光子受到聲學(xué)聲子的散射所產(chǎn)生的 ,形成斯托克斯波與反斯托克斯波。 ? SBS產(chǎn)生頻移，只發(fā)生在很窄的線寬內(nèi)，在 ?m處，WB=。 ? 斯托克斯波和泵浦波沿反方向傳播。只要波長(zhǎng)間隔比20MHZ大得多（這是典型的情況）， SBS不引起不同波長(zhǎng)之間的相互作用。 ? SBS在朝向光源的方向上產(chǎn)生增益，會(huì)引起光源不穩(wěn)定 ? SBS閾值功率低 (單波長(zhǎng)信道： 9dBm). 增加光源線寬能夠提高 SBS閾值功率 (100MHz光源 :16 dBm ） ? SBS的增益系數(shù) gB約為 4 1011m/W，且與波長(zhǎng)無關(guān)。 144 SBS Threshold Variation with Wavelength 145 Major problem with SBS ? In long distance systems where the span between amplifiers is great and the bit rate low (below about Gbps). ? In WDM systems (up to about 10 Gbps) where the spectral width of the signal is very narrow. ? In remote pumping of an erbium doped fibre amplifier (EDFA) through a separate fibre. EDFA pumps typically put out about four lines of around only 80 MHz wide. Each of these lines is limited by SBS in the amount of power ? that can be used. 146 降低 SBS的措施 ? 使單信道功率保持在 SBS閾值以下 。 ? 增加光源的線寬 ,大于 100MHz（ )。 ? 采用相位調(diào)制 。 147 受激喇曼散射 (SRS) ? SRS是光子受到振動(dòng)分子散射所產(chǎn)生的。 SRS同時(shí)存在于在光傳輸方向或者與之相反的方向 ? 閾值比 SBS高 3個(gè)數(shù)量級(jí)，具有 100nm頻移間隔 ? SRS 引起 DWDM不同信道之間發(fā)生耦合，導(dǎo)致串?dāng)_。 ? 長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)被短波長(zhǎng)信號(hào)放大，引起信道功率不平衡 ? 僅當(dāng)兩個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)都處于高電平狀態(tài)才會(huì)發(fā)生 SRS. ? 色散可以減小 SRS。因?yàn)檫@時(shí)不同信道的信號(hào)以不同的速度傳播，從而減小了不同波長(zhǎng)的脈沖在光纖中任一點(diǎn)處都重合的概率 ? 波長(zhǎng)間隔大容易產(chǎn)生 SRS 148 Stimulated Raman Scattering 149 降低 SRS的措施 ? 使信道間隔減小 ? 傳輸功率保持在 SRS閾值以下 。 ? 引入一定的色散 150 Raman Effect Amplifiers ? The signal to be amplified must be longer in wavelength than the pump. ? Optimal amplification occurs when the difference in wavelengths is around THz. ? At very high power it is possible for all of the signal power to be transferred to the Stokes Wave. ? In regular Gedoped fibre the effect is very small and it takes a relatively long length of (about 1 km). 151 Wavelength Changing with SRS 152 SRFA WDM Output Gain Flattening Filter Pump Source PUMP SIGNAL 153 光孤子通信 1．光孤子 2．光孤立子的產(chǎn)生機(jī)理 3 4．光孤子通信系統(tǒng)的基本組成 154 1．光孤子 ? 從物理學(xué)的觀點(diǎn)看，光孤立子是光非線性光學(xué)的一個(gè)特殊產(chǎn)物。 ? 孤立子又稱孤子、孤立波，它是一種可以長(zhǎng)距離、無畸變傳輸?shù)碾姶挪ā? ? 光脈沖波就像一個(gè)個(gè)孤立的粒子一樣，因此稱其為孤立子。 155 2．光孤立子的產(chǎn)生機(jī)理 ? 折射率 n與相位 φ之間存在確定的關(guān)系。 ? 一個(gè)光脈沖的前沿光強(qiáng)的增大將會(huì)引起光纖中光信號(hào)的相位增大，隨之造成光信號(hào)的頻率降低，進(jìn)而使光纖中光脈沖信號(hào)的脈沖前沿傳輸速度降低。 ? 如果所傳信號(hào)是強(qiáng)的光脈沖，則光纖非線性效應(yīng)使脈沖變窄的作用正好補(bǔ)償了色散效應(yīng)使脈沖展寬的影響。 ? 那么，可以想像這種光脈沖信號(hào)在光纖的傳輸過程中將不會(huì)產(chǎn)生畸變，脈沖波就像一個(gè)一個(gè)孤立的粒子那樣傳輸，故稱孤立子（ Soliton）。 156 3．光纖損耗對(duì)光孤子傳輸?shù)挠绊? （ 1）損耗對(duì)光孤子寬度的影響 ? 即使光孤子發(fā)生展寬，但與不存在非線性影響情況下的展寬相比要小的多，因此對(duì)光纖通信系統(tǒng)來說，非線性影響是有益的。 ? 如果使用高階光孤子來分析的話，也可以得到同樣的結(jié)論。而且在 8Gbit/s傳輸速率、光孤子的峰值功率為 3mW條件下，預(yù)計(jì)中繼距離可增加兩倍。 157 3．光纖損耗對(duì)光孤子傳輸?shù)挠绊? ? 圖 224 一階光孤子發(fā)射進(jìn)光纖時(shí)，有損耗光纖中的光孤子展寬 158 3．光纖損耗對(duì)光孤子傳輸?shù)挠绊? （ 2）利用光孤子放大補(bǔ)償光損耗 ? 為克服光纖損耗的影響，需要對(duì)光孤子周期性地放大，以便恢復(fù)其最初的寬度和峰值功率。 ① 集中光孤子放大 ② 分布放大 159 3．光纖損耗對(duì)光孤子傳輸?shù)挠绊? ? 圖 225 光孤子通信系統(tǒng)中光纖損耗的補(bǔ)償 160 4．光孤子通信系統(tǒng)的基本組成 ? 由光孤子的形成機(jī)理可知，它可以用于光脈沖在光纖中無畸變的長(zhǎng)距離傳輸。因此，光孤子通信系統(tǒng)在長(zhǎng)距離、高碼速的通信中，顯示出非常大的優(yōu)勢(shì)。 ? 在光纖傳輸?shù)耐飞闲枞舾蓚€(gè)光放大器來補(bǔ)充能量的損失，以保持足夠的信號(hào)光強(qiáng)，這樣即可實(shí)現(xiàn)用光孤子進(jìn)行高速、長(zhǎng)距離的傳輸。 161 4．光孤子通信系統(tǒng)的基本組成 ? 圖 226 光孤子通信系統(tǒng)的基本組成 162 范崇澄 FS66 謝謝！ CORN LUCE ALC