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非线性光学效应及应用精要.ppt

发布:2016-03-18约5.88千字共34页下载文档
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光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 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 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 8.1.1 非线性光学效应 图8.1.1 强电场引起非线性光学效应 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。 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。 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。 (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,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。 (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。 8.2.1 光纤拉曼放大器的工作原理 增益介质:系统传输光纤; 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。 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。 图8.2.1 分布式拉曼放大器的工作原理 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,
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