非线性光纤光学第一章-绪论ppt课件.ppt

光源光源1841 瑞士瑞士 丹尼尔丹尼尔科拉登科拉登光束被限制在喷射光束被限制在喷射的水流中传播的水流中传播n光纤的发展历史光纤的发展历史(a) 全内反射全内反射n光纤和通信光纤和通信光纤通信的历史光纤通信的历史光纤通信的发展现状和趋势光纤通信的发展现状和趋势 光纤的基本结构光纤的基本结构根据纤芯折射率径向分布的不同，可分为：根据纤芯折射率径向分布的不同，可分为： 阶跃光纤阶跃光纤(a)(a)与渐变光纤与渐变光纤(b)(b)的横截面和折射率分布的横截面和折射率分布 单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤晶格：三角空气柱包层晶格：三角空气柱包层Silica柱芯柱芯原理：低等效包层折射率全内反射原理：低等效包层折射率全内反射特性：次高阶模截止带宽内单模传输特性：次高阶模截止带宽内单模传输折射率导引光纤折射率导引光纤 （TIR-PCF光子带隙导引光纤光子带隙导引光纤 （ PBG-PCF晶格：六角空气柱包层空气柱芯晶格：六角空气柱包层空气柱芯原理：光子带隙限制局域单模传输原理：光子带隙限制局域单模传输特性：带隙窗口特性：带隙窗口( (数数 m m) )内单模传输内单模传输 不同结构的光子晶体光纤不同结构的光子晶体光纤折射率引导型光折射率引导型光子晶体光纤（图子晶体光纤（图中中A、C、D）和）和光子带隙引导型光子带隙引导型光纤（图中的光纤（图中的E、G、I）。）。 相对折射率差相对折射率差( (阶跃光纤阶跃光纤) )相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数，相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数，其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难易程度。其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难易程度。2212212nnn 纤芯折射率纤芯折射率包层折射率包层折射率n1n2n0全全反反射射n2cAABmax c 900_c 数值孔径（数值孔径（NANA）n1n2n0全全反反射射n2cAAmax 消消逝逝波波nn12 n0900_c 定义定义 数值孔径数值孔径 (NA, Numerical Aperture) 2NA12221nnn 折射率分布系数折射率分布系数 折射率分布函数折射率分布函数折射率分布系数是用来描述折射率变化规律的物理量。折射率分布系数是用来描述折射率变化规律的物理量。2( )(0) 1 2 ( )( )rn rnraan rnra 纤芯中心的折射率纤芯中心的折射率 折射率分布系数折射率分布系数 纤芯半径纤芯半径 归一化频率归一化频率 归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。 1 2220121222aVaknnNAan V值越大，能够传播的模式越多！值越大，能够传播的模式越多！ 可传播的模式数可传播的模式数 212MV 2.405V 时，只传输基模。时，只传输基模。 归一化频率与归一化传输常数的关系曲线归一化频率与归一化传输常数的关系曲线112222()2.405ccananmV 3 260.69 1.16192.879w aVVE0/e上式在上式在1.2V2.4范围内范围内,误差误差1%。例如，例如，V2时，几乎时，几乎75%的模式功率在纤芯内，而当的模式功率在纤芯内，而当V1时，降到时，降到20%，这就是为什么大多数通信光纤的，这就是为什么大多数通信光纤的V值在值在2V 2.405后，就不是单模运转了！后，就不是单模运转了！】 归一化模场半径归一化模场半径w/a与归一化频率与归一化频率V的关系的关系【V ，1. 纤芯折射率纤芯折射率n1=1.468，包层折射率，包层折射率n2=1.447，假如光源波，假如光源波长为长为1300nm，计算单模光纤的纤芯半径是多少？，计算单模光纤的纤芯半径是多少？2.405V 解：当时可以实现单模传输，于是1221222.405Vann 将数值代入可得 2.01am2.典型单模光纤的纤芯直径是典型单模光纤的纤芯直径是8m，折射率是，折射率是1.46。归一化。归一化折射率差是折射率差是0.3，包层直径是，包层直径是125m，光源波长为，光源波长为0.85m。计算光纤的数值孔径、最大可接收角和截止波长。计算光纤的数值孔径、最大可接收角和截止波长。112222121212()NAnnnnnn121121()()2nnnnnn用和代入上式得到111222111NA=2n ()(2 )1.46(2 0.003)0.113nnmax0maxsin/0.133/16.5NA n最大可接收角或者单模传输的条件是V2.405,对应的截止波长为2/2.405 1.18caNAm解：光纤的数值孔径为制造光纤的工艺流程制造光纤的工艺流程4222422SiCl +OSiO + 2Cl ;SiCl + 2H OSiO + HCl 改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法(MCVD)贝尔实验室在贝尔实验室在19741974年开发年开发 等离子气相沉积法等离子气相沉积法(PCVD)菲利浦公司、荷兰消费菲利浦公司、荷兰消费电子和电信公司在电子和电信公司在19751975年联合开发。年联合开发。它不同于它不同于MCVDMCVD的地方在的地方在于加热反应区的方法不于加热反应区的方法不是通过燃烧灯把热量从是通过燃烧灯把热量从外部传输进去，而是利外部传输进去，而是利用微波激活气体，使气用微波激活气体，使气体电离成为等离子，即体电离成为等离子，即离子化气体，简称等离离子化气体，简称等离子体。子体。 棒外气相沉积法棒外气相沉积法(OVD)康宁公司康宁公司(Corning) (Corning) 19721972年研发出来的第一年研发出来的第一个批量光纤制作工艺；个批量光纤制作工艺；通过沉积和固化两个步通过沉积和固化两个步骤完成预制棒的制作。骤完成预制棒的制作。 轴向气相沉积法轴向气相沉积法(VAD)(VAD)日本科学家在日本科学家在19771977年开发；年开发；把把SiClSiCl4 4、掺杂剂气体送入、掺杂剂气体送入氢氧火焰喷灯，使之在氢氢氧火焰喷灯，使之在氢氧火焰中水解，生成氧化氧火焰中水解，生成氧化物粉尘，即石英玻璃微粒。物粉尘，即石英玻璃微粒。这些粉尘沉积在基底棒或这些粉尘沉积在基底棒或种子棒的下端部，而不是种子棒的下端部，而不是表面。表面。 各种气相沉积法的比较各种气相沉积法的比较 以分贝为单位计算损耗（衰减）以分贝为单位计算损耗（衰减）out10indB()10logPP 衰减输出功率低于输入功率，因此方程中若不含负号，结果输出功率低于输入功率，因此方程中若不含负号，结果应为负值。记住，在一些出版物中分贝定义为应为负值。记住，在一些出版物中分贝定义为负值，表负值，表示损耗。示损耗。dB 10out()10P剩余功率损耗（衰减）是量度输入损耗（衰减）是量度输入/ /输出功率比输出功率比inoutPP /的量，的量，通常用分贝表示，定义为通常用分贝表示，定义为)exp(0LPPT定义为每千米光功率损耗的分贝数。定义为每千米光功率损耗的分贝数。343. 4log10)/(10inoutPPLkmdB用用dB为单位使计算更为简单，不用像百分比那为单位使计算更为简单，不用像百分比那样做连乘，只要简单加减就行。即：样做连乘，只要简单加减就行。即：如果知道单位长度的损耗，则如果知道单位长度的损耗，则光功率单位光功率单位dBm若光纤通信系统的所有器件的光损耗都用分贝表示，则发若光纤通信系统的所有器件的光损耗都用分贝表示，则发射或接收功率也用分贝量度就非常有用，可以用下面定义射或接收功率也用分贝量度就非常有用，可以用下面定义的的dBm单位实现：单位实现：10lg1inP mWPdBmmW这里选择这里选择1mW为参考功率是为了方便起见。为参考功率是为了方便起见。例如：例如：在这一单位中，在这一单位中，1mW的功率相当于的功率相当于0dBm1mW的功率时为正。的功率时为正。10W的功率相当于的功率相当于40dBm若若所有量均用分贝表示所有量均用分贝表示，则通过简单加减就可以由入射功，则通过简单加减就可以由入射功率和衰减得到输出功率率和衰减得到输出功率, ,还可以将方程写成另一种形式：还可以将方程写成另一种形式：)dB(lossinoutPPoutinLoss(dB)PP loss(dB)outin PP注意！注意！公式中的正负号非常重要，在以上方程中，公式中的正负号非常重要，在以上方程中，损耗用分贝表示时为损耗用分贝表示时为正号正号! ! 【例】考虑一个输入端损耗为【例】考虑一个输入端损耗为3dB、由损耗为、由损耗为0.5dB/km的的6km长光纤构成的光纤系统，若输入功率为长光纤构成的光纤系统，若输入功率为0dBm，求输，求输出功率。出功率。Pout0dBm3dB（6km0.5dB/km）-6.0 dBm，若用若用mW表示，结果为表示，结果为0.25mW。损耗损耗散射损耗散射损耗制作缺陷制作缺陷折射率分布不均匀折射率分布不均匀芯芯-涂层界面不理想涂层界面不理想气泡、条纹、结石气泡、条纹、结石本征散射及其他本征散射及其他瑞利散射瑞利散射布里渊散射布里渊散射拉曼散射拉曼散射吸收损耗吸收损耗本征吸收本征吸收紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收杂质离子的吸收杂质离子的吸收过渡族金属离子过渡族金属离子OHOH- - 离子离子弯曲损耗弯曲损耗（辐射损耗）（辐射损耗）1380nm950nm720nmOH-吸收谱吸收谱ztjAztEexp),(pv+kmaxEmaxE包络包络群速度群速度相速度相速度ddvg假定它们都沿假定它们都沿z z方向传播，振幅均为方向传播，振幅均为A A，这两列平面波叠加而，这两列平面波叠加而成的波包的复数形式为成的波包的复数形式为+、kkkk+、考虑两个频率相近的角频率各为考虑两个频率相近的角频率各为，而波数各为而波数各为相叠加而成的波包，相叠加而成的波包，( , )expexpz tAitkk zAitkk z2cosexpAtk zitkz 波振幅的极大值由波振幅的极大值由 tk zmm （ =0,1,2）给出！给出！kzt coszddktcosddLvLgLLdddd222222dd1DL22211cLLDLDDLLcLLdddd222222光纤通信系统的通信容量用比特率距离积来表示，它是光纤通信系统的通信容量用比特率距离积来表示，它是系统的一个极限参数。某个系统设计完成以后，通信容量系统的一个极限参数。某个系统设计完成以后，通信容量则是一个定值。其意义是：数据速率和传输距离可以变化，则是一个定值。其意义是：数据速率和传输距离可以变化，但必须满足二者的乘积为常数。但必须满足二者的乘积为常数。容量估算：设系统比特率为容量估算：设系统比特率为B，距离为，距离为L，可以通过以下方，可以通过以下方法估算比特率距离积：光脉冲传输距离法估算比特率距离积：光脉冲传输距离L后的展宽后的展宽不不超过系统比特周期的四分之一，即超过系统比特周期的四分之一，即14B Loworder modeHighorder modeCladdingCoreLight pulset0tSpread,Broadenedlight pulseIntensityIntensityAxial 多模光纤各模传输路径不同引起脉冲展宽多模光纤各模传输路径不同引起脉冲展宽 模间色散模间色散(intermodal dispersion)（仅多模光纤有（仅多模光纤有)材料色散引起的脉冲展宽可以表示为材料色散引起的脉冲展宽可以表示为( )mDL材料色散系数，材料色散系数，单位单位ps/(nm km)传输距离，传输距离，单位单位km光源线宽，光源线宽，单位单位nm波导色散引起的脉冲展宽可以表示为波导色散引起的脉冲展宽可以表示为( )wDL波导色散系数，波导色散系数，单位单位ps/(nm km) 偏振模色散引起的脉冲展宽：偏振模色散引起的脉冲展宽：PMDDLPMDps/ km,0.11.0ps/ km,ps/ kmPMDD是参数的平均值，单位为典型值在目前的工艺水平可以做到小于0.016。如何计算总脉冲展宽？如何计算总脉冲展宽？ 将材料色散与波导色散相加，就会得到与波长有关的将材料色散与波导色散相加，就会得到与波长有关的色度色散色度色散，另外，光纤中还存在偏振模色散。模式色另外，光纤中还存在偏振模色散。模式色散、色度色散和偏振模色散的值彼此无关，因此要用散、色度色散和偏振模色散的值彼此无关，因此要用这三种色散值平方和的方根来计算总的脉冲展宽：这三种色散值平方和的方根来计算总的脉冲展宽：222dispersionmodalchromaticpolarization mode()()() 总的脉冲展宽是模式色散、波长色散和偏振模色散造总的脉冲展宽是模式色散、波长色散和偏振模色散造成的脉冲展宽的成的脉冲展宽的平方和的平方根。平方和的平方根。chromaticchromatic( )DL PMDPMDDLmodalmodal( )DL 对于多模光纤而言，偏振模色散没有什么意义，这种情对于多模光纤而言，偏振模色散没有什么意义，这种情况下的脉冲展宽变为况下的脉冲展宽变为22dispersionmodalchromatic()() 单模光纤中不存在模式色散（而不是偏振模色散），这单模光纤中不存在模式色散（而不是偏振模色散），这时方程变为时方程变为 22dispersionchromaticpolarization mode()() 22outputinputdispersion考虑色散后，输出脉冲宽度为：考虑色散后，输出脉冲宽度为：)()()()(2111221112ggd两脉冲的中心波长两脉冲的中心波长 对脉宽为对脉宽为T0的脉冲，可以定义走离长度的脉冲，可以定义走离长度LW为为|120dTLW0.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.65317ps/nmkmG.6520.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.65317ps/nmkmG.652非线性大非线性大色散非常小色散非常小1550nm1550nm窗口窗口不同信道的不同信道的WDMWDM信号传输速度相近信号传输速度相近四波混频四波混频FWMFWM严重严重17ps/nm.km0.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.653G.652色色 散散 小小 结结色散造成的脉冲展宽限制了模拟和数字通信系统的传输速度，主色散造成的脉冲展宽限制了模拟和数字通信系统的传输速度，主要的色散类型有模式色散、色度色散和偏振模色散，总的脉冲展要的色散类型有模式色散、色度色散和偏振模色散，总的脉冲展宽是这三种色散分别造成的脉冲展宽的平方和的平方根。宽是这三种色散分别造成的脉冲展宽的平方和的平方根。色度色散等于材料色散和波导色散之和，二者均有正负号。色度色度色散等于材料色散和波导色散之和，二者均有正负号。色度色散造成的脉冲展宽正比于发射机的光谱带宽和光纤长度。色散造成的脉冲展宽正比于发射机的光谱带宽和光纤长度。材料色散反映了光纤材料的特性，随波长变化。它量度的是折射材料色散反映了光纤材料的特性，随波长变化。它量度的是折射率随波长的变化。率随波长的变化。波导色散源于波导性质的变化和光在光纤中按波长分布的特性。波导色散源于波导性质的变化和光在光纤中按波长分布的特性。若波导色散和材料色散的符号相反，二者能互相抵消，产生一个若波导色散和材料色散的符号相反，二者能互相抵消，产生一个零色度色散。改变波导色散可以使零色散波长移动。零色度色散。改变波导色散可以使零色散波长移动。色度色散符号相反的光纤可以依次结合使用，以补偿系统色度色散符号相反的光纤可以依次结合使用，以补偿系统的色度色散。的色度色散。长途波分复用系统需要在整个波长范围内进行色散管理，长途波分复用系统需要在整个波长范围内进行色散管理，色散斜率，即色散随波长的变化，也是需要着重考虑的问色散斜率，即色散随波长的变化，也是需要着重考虑的问题。题。偏振模色散源于光纤中存在的较低的双折射，以及模式间偏振模色散源于光纤中存在的较低的双折射，以及模式间的混合，当数据率超过的混合，当数据率超过2.5Gbit/s时，偏振模色散变得比较时，偏振模色散变得比较明显。明显。LeffdzzPPL00)(11effLLLzedze10 rreffrdrdrIrdrdrIA,22effBeffthLgAP/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。1,450nm1,490nm1,530nm1,570nm1,610nm1,650nmS+ BandS BandC BandL BandL+ BandRFATDFAEDTFAGS-EDFAEDFAErbium DopedFiber AmplifierGain-ShiftedErbium DopedFiber AmplifierTellurite-BasedErbium DopedFiber AmplifierThulium DopedFlouride-BasedFiber AmplifierRaman Fiber AmplifierTotal 200 nm: 500 1,000 waves ?80 nm: 200 waves ?40 nm1,550nm1,580nmPotential of Optical Fiber: perhaps 250 waves x 100 Gb/s = 25,000 Gb/s = 25 Tb/s ?Fujitsu Proprietary各种光纤放大器各种光纤放大器222),(EnnEn 3xxxx 3283xxxxnneffAn22PineffeffeffinLNLPALnLPdZZP)/2()(20dtdPALndtdineffeffspm2)(21MjmmjeffjNLPPL2