1、2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀1第第6.16.1講講 WDMWDM長距離傳輸?shù)南拗埔蛩貥O其長距離傳輸?shù)南拗埔蛩貥O其抑制技術(shù)抑制技術(shù)一、概況一、概況二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對光纖通信的影響二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對光纖通信的影響三、色散的積累與補(bǔ)償三、色散的積累與補(bǔ)償2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀2l EDFA的的ASE噪聲的積累噪聲的積累 和和OSNR的下降的下降l 群速度色散高階色散導(dǎo)致群速度色散高階色散導(dǎo)致 信號眼圖劣化信號眼圖劣化l 各種非線性光學(xué)效應(yīng)的影各種非線性光學(xué)效應(yīng)的影 響響l PMD的影響的影響ASE噪聲的積累噪聲的積累XPM對信號質(zhì)量的影響對信號質(zhì)

2、量的影響長距離傳輸中的限制因素長距離傳輸中的限制因素2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀3支撐超長距離傳輸?shù)男录夹g(shù)支撐超長距離傳輸?shù)男录夹g(shù)v非線性效應(yīng)抑制技術(shù)非線性效應(yīng)抑制技術(shù)v色散和偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)色散和偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)v低噪聲放大技術(shù)低噪聲放大技術(shù)v新型調(diào)制格式新型調(diào)制格式v前向糾錯(cuò)編碼（前向糾錯(cuò)編碼（FEC）2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀4二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對光纖二、非線性光學(xué)效應(yīng)及其對光纖通信的影響通信的影響 1、非線性光學(xué)效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)2、受激光散射、受激光散射3、折射率調(diào)制、折射率調(diào)制2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀51、非線性

3、光學(xué)效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)非線性極化非線性極化v弱光場時(shí)，光纖是線性煤質(zhì)滿足線性疊加原理，光頻率不發(fā)生轉(zhuǎn)換v強(qiáng)光場時(shí)，光纖發(fā)生非線性極化0000(1)rPEDEPEEE tititieEeEeEE321)()()(332211+C.C2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀6(1)(2)00PE (3)0.EEEEE cmVEE/101800)3()4()2()3()1()2(線性極化項(xiàng)二階非線性極化項(xiàng)三階非線性極化項(xiàng) 將二階和三階非線性極化項(xiàng)展開，可以看到各階非線性效應(yīng)。原子內(nèi)部的庫侖場2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀7 2）非線性光學(xué)效應(yīng)）非線性光學(xué)效應(yīng)v 二階非線性極化

4、項(xiàng)產(chǎn)生各入射基波分量的二次諧波（倍頻波）、和頻波、差頻波以及一個(gè)直流電場，相應(yīng)的效應(yīng)分別為倍頻、和頻、差頻以及光整流效應(yīng)。普科爾（Pocket）效應(yīng)也與二階非線性極化項(xiàng)有關(guān)。 光纖通常不顯示二階非線性效應(yīng)。v 三階非線性極化項(xiàng)導(dǎo)致克爾（Kerr）效應(yīng)、雙光子吸收、光波的自作用（自聚焦、自相位調(diào)制）以及受激散射（受激Raman 散射和受激布里淵散射）等現(xiàn)象。這些也是影響光纖通信的主要的非線性光學(xué)效應(yīng) 。v 根據(jù)介質(zhì)中原子終態(tài)與初態(tài)是否相同，非線性光學(xué)效應(yīng)分為參量過程（非激活的）和非參量過程（激活的）。 2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀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) 受激布里淵散射 Refractive Index Effects 非線性折射率調(diào)制 Modulation of refractive index by light intensity(nonlinearity of induced polarization: P = 0 E

6、+ 0 (3) E3 ) Self Phase Modulation (SPM) 自相位調(diào)制 Cross Phase Modulation (CPM）交叉相位調(diào)制 Four-Wave Mixing (FWM) 四波混頻2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀9 2、受激散射效應(yīng)受激散射效應(yīng) 1）受激喇曼散射受激喇曼散射 (SRS) 晶體中原子的振動形成晶體中的格波，格波的能量是量子化的，對頻率為的格波，它的每份能量是h，被稱為一個(gè)聲子。格波解分為兩支，光學(xué)支聲子和聲學(xué)支聲子，光學(xué)支聲子參與的光散射是受激喇曼散射，聲學(xué)支聲子參與的光散射是受激布里淵散射。 喇曼散射的基本過程 ： Stoke

7、s過程： ，光波產(chǎn)生下頻移 反Stokes過程： ，光波產(chǎn)生上頻移 Stokes過程是主要的。 喇曼增益譜寬insvainvhhhhhh2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀102022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀11effRLIgsssRseILIdzIIgdI0)0()(0自發(fā)喇曼散射和受激喇曼散射自發(fā)喇曼散射和受激喇曼散射gR 7 *10-12 cm/WLLzeffedzeL0/)1(drdrrIdrdrrIAeff),(),(222022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀12 受激受激 Raman 散射對光纖通信的影響散射對光纖通信的影響 限制了光纖中傳輸?shù)淖畲蠊?/p>

8、率。 對單信道系統(tǒng)，臨界功率16effeffcRLAPgpc 是散射光功率變是散射光功率變得與注入光相當(dāng)時(shí)得與注入光相當(dāng)時(shí)的注入功率。的注入功率。Pc2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀13siijnijsjeffjijRijisjeffijiRjsisippAKgpAKgpdzdp111n 引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_. K 是與偏振有關(guān)的系數(shù)， 如果i 和j 偏振方向相同， K=1； 若i 和j 偏振方向完全擾亂，K=2 。較短波長信道的功率向較長波長信道轉(zhuǎn)移較短波長信道的功率向較長波長信道轉(zhuǎn)移 2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀14當(dāng)兩個(gè)信道都是

9、“1”碼時(shí)誘發(fā)出的喇曼散射最厲害，串?dāng)_最明顯 2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀15 SBS的特點(diǎn)的特點(diǎn) 后向散射為主； 增益系數(shù)大，gB 4 10-9 cm/W； 閾值低，閾值功率由式 決定，對常規(guī)單模光纖，閾值功率約為4毫瓦； 增益系數(shù)與泵浦激光器的譜線寬度有關(guān) 頻移小，僅有數(shù)十MHz。2）受激布里淵散射）受激布里淵散射 (SBS)0(/)BBBpGG2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀163、折射率的非線性調(diào)制、折射率的非線性調(diào)制1) 折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是由折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是由 引起的引起的 effApnnInnn/2020)3(020202/effeff

10、nnn Inn p Ak n p A2）自相位調(diào)制）自相位調(diào)制2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀17dtdpALndtdpALndtdpALnkdzepAnkdzzpAnkdzineffeffineffeffNLspmineffeffLzineffLeffLNL2220020020022121)()(引起頻率啁啾引起頻率啁啾2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀18發(fā)射功率為5mW, 10Gb/s的信號, 在G.655光纖傳輸傳輸40km 發(fā)射功率為50mW, 10Gb/s的信號, 在G.655光纖傳輸傳輸40km自相位調(diào)制的影響（自相位調(diào)制的影響（OpticSimu平臺仿

11、真）平臺仿真）2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀193) 交叉相位調(diào)制（交叉相位調(diào)制（XPM） dtdpALnineffeffXPM22（OpticSimu平臺仿真）平臺仿真）一路10毫瓦的信號三路10毫瓦的信號2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀204) 四波混頻四波混頻(FWM)v特點(diǎn)特點(diǎn): 折射率的非線性調(diào)制引起折射率的非線性調(diào)制引起 參量過程參量過程v兩種情況兩種情況: 三個(gè)光子合成一個(gè)光子三個(gè)光子合成一個(gè)光子 兩個(gè)光子兩個(gè)光子湮滅湮滅 v四波混頻發(fā)生的條件四波混頻發(fā)生的條件 能量守恒能量守恒 動量守恒動量守恒 (相位匹配相位匹配)4123123434213344

12、2211 =(+)/0kkkkknnnnc41232322322022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀212022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀225）非線性光學(xué)效應(yīng)的抑制）非線性光學(xué)效應(yīng)的抑制v限制入纖功率限制入纖功率 在信號噪聲比和信號非線性串?dāng)_比之間均衡考慮。如322.5Gb/s系統(tǒng)主光通道的總功率在17-20dBm。v保留適當(dāng)?shù)纳⒈Ａ暨m當(dāng)?shù)纳?色散是一種制約非線性光學(xué)效應(yīng)的物理過程。非零色散位移光纖運(yùn)應(yīng)而生。v加大光纖的有效面積加大光纖的有效面積 大有效面積NZDSF 純石英芯子單模光纖（有效面積達(dá)到110m2 ）2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀236)

13、 光孤子通信光孤子通信v 當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)，脈沖在時(shí)域展寬；主要表現(xiàn)出當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)，脈沖在時(shí)域展寬；主要表現(xiàn)出光纖的色散效應(yīng)；光纖的色散效應(yīng)；v SPM引起的啁啾在一定條件下可以補(bǔ)償群速度引起的啁啾在一定條件下可以補(bǔ)償群速度色散色散光孤子通信；光孤子通信；v 孤子現(xiàn)象是非線性薛定諤方程的解。孤子現(xiàn)象是非線性薛定諤方程的解。021222UUTUZUi U是歸一化的光波電場強(qiáng)度的復(fù)幅度的包絡(luò)，是歸一化的光波電場強(qiáng)度的復(fù)幅度的包絡(luò)，T是歸一化是歸一化時(shí)間，時(shí)間，Z是歸一化距離。是歸一化距離?！?”對應(yīng)反常色散，對應(yīng)反常色散，“-”對應(yīng)正常對應(yīng)正常色散。色散。2022-1-1光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)顧畹儀24薛定諤方程的解薛定諤方程的解 （1）設(shè)輸入光脈沖為）設(shè)輸入光脈沖為sech形，超短脈沖在反形，超短脈沖在反常色散光纖中傳輸，在常色散光纖中傳輸，在較強(qiáng)的某一功率下，較強(qiáng)的某一功率下，SPM效應(yīng)正好抵消了群效應(yīng)正好抵消了群速度色散，結(jié)果導(dǎo)致在速度色散，結(jié)果導(dǎo)致在沒有損耗的情況下，脈沒有損耗的情況下，脈沖沿光纖傳輸時(shí)波形保沖沿光纖傳輸時(shí)波形保持不變，這種孤子被稱持不變，這種孤子被稱為基本光孤子。為基本光孤子。 2022-1-1光纖通