通工专业-光纤通信技术-第十一章-光纤通信新技术
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1、光纤通信技术光纤通信技术Optical Communication 西安邮电大学通信与信息工程学院西安邮电大学通信与信息工程学院通信工程系通信工程系 11.1 新型光纤技术新型光纤技术11.2 全光光纤通信技术全光光纤通信技术11.3 相干光通信相干光通信第第1111章章 光纤通信新技术光纤通信新技术11.1.1 光纤的非线性效应l 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
2、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 l 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。 l 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
3、光整流效应。lSBS、SRS及及FWM过程所引起的波长信道的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。生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。lSPM和和XPM都只影响信号的相位，从而使脉冲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，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。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。在光纤中传输中光脉冲，脉冲从前到后
4、频率有变化叫做啁啾。effBeffthLgAP/21BthgwP/ )(212effReffthLgAP/16RthgwP/ )(162mWPWcmgmAkmLthReffeff560,/107,50,20112SRSSRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功率一般低于率一般低于10mW10mW，因此，因此SRSSRS一般对光纤损耗不一般对光纤损耗不起作用。起作用。222),(EnnEn 自相位调制自相位调制SPMSPMl折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变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：化，使传播常数增
5、加了一附加项：effAn22P光纤中光纤中传传输输的功率的功率 频率啁啾频率啁啾dtdPALndtdineffeffspm2)(21SPMSPM特点特点lSPM导致频率啁啾，正比于光强对时间的微分导致频率啁啾，正比于光强对时间的微分l频率啁啾将导致脉冲谱宽增加频率啁啾将导致脉冲谱宽增加lSPM与色散共同作用，在正常色散区，加剧脉冲展宽速度；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在反常色散区减低脉冲展宽速度(但但SPM将导致脉冲畸变将导致脉冲畸变)，在一定条件下，可以使色散效应与在一定条件下，可以使色散效应与SPM效应互相抵消，实效应互相抵消，实现脉冲无畸变
6、传输现脉冲无畸变传输-孤子孤子l非线性效应产生的自相位调制一般不大，对非线性效应产生的自相位调制一般不大，对IM/DD系统无系统无关紧要，但在级联放大系统和关紧要，但在级联放大系统和WDM系统中则不容忽视，系统中则不容忽视，在相干波系统中也不能忽视在相干波系统中也不能忽视 四波混频四波混频FWMFWMlFWM： 光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波光纤中不同波长的光波相互作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。长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。11.1.2 光的双折射和偏振1. 光的双折射光的双折射 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，这当一
7、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，称为非寻常光或遵守折射定律的，称为非寻常光或e光。光和光。光和e光都是线偏振光，而光都是线偏振光，而且光的振动画垂直于晶体的主截面，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，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，两者振动面相互垂直。若光折射率为，e光折射率为，则光
8、折射率为，则是用来描述晶体双折射特征的重要参数。是用来描述晶体双折射特征的重要参数。n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，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：折射率之差： 式中，式中，k为克尔常数，它由介质本身的性质来定，是入射为克尔常数，它由介质本
9、身的性质来定，是入射光的波长，光的波长，E为外加电场。为外加电场。 l克尔效应的最重要的特点是几乎没有延迟时间，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速光开用科尔效应制成的克尔开关作为一种高速光开光，被广泛应用于许多科学领域，如高速摄影、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电影、电视及脉冲激光器的Q开光等。开光等。普克尔效应普克尔效应 有些晶体特别是压电晶体加上电场后其各向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
10、性的，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化，从接通电源到建立电致光效应所需时间一般小于小于10秒，因此可获得秒，因此可获得2.5Hz的调制带宽，因而的调制带宽，因而近年来常用作高速光开关好和带宽光调制器。近年来常用作高速光开关好和带宽光调制器。2.偏振光偏振光l如果在光波中，光矢量的振动方向在传播过程中保如果在光波中，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
11、，这种光称为线持不变，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偏振面。含传播方向的面称为偏振面。2.偏振片偏振片l把自然光变为偏振光的器件称为偏振器。自然光通过二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称为偏振片，所谓二向色性是指某些各向异性的晶
