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1、非线性光纤光学原理及应用,文双春唐志祥2009年2月17日星期二,1,Why study Optical Fiber Communication?,一代材料，一代系统！作为信息的物理载体，新一代信息材料的广泛应用将直接推动整个信息系统的更新换代！,2,现今通信系统的发展困境,摩尔经验法则预示着微电子技术正走向物理上和技术上的极限。光子代替电子作为信息的载体，不仅可以克服微电子器件发展的物理极限，而且在信息容量、传播速度、能量损耗、互连能力和并行能力等方面的性能都有很大的提升。,3,4,电子通信系统的核心是如何控制电子的运动状态。与之类似，全光通信系统的关键就在于如何控制光子运动。然而，设计出一
2、种类似电子晶体的光子器件来控制光子的运动却是困难重重，这成为全光通信系统应用的绊脚石。 光纤的使用已经使我们朝以光子作为信息载体的通信系统迈出了可喜的一步，但信息的输入、输出以及处理等核心部分仍然依靠传统电子器件！,5,光子晶体、超常材料等新型光子材料的出现将有可能改变这一现状。,6,D. K. Mynbaev and L. L. Scheiner say, “你要成为电信业某个领域的专业人员的决定-这也就意味着你要成为光纤通信领域内的专业人员-预示着你职业生涯的美好未来。我们的经验已经表明，即使是对于刚毕业的大学生而言，他所面临的问题不是找工作，而是如何在很多已经很好的工作中找一个最好的工作
3、。现在，电信业中的企业相互竞争工艺专业、工程师和产品经理，他们甚至比那些急于寻找工作的求职者表现得更积极。所以，光纤技术的专业人员属于美国工业中最高收入的阶层。”光纤通信技术，机械工业出版社，2002,7,大学物理课程有关振动和波,电磁学和光学部分;电磁场与电磁波;光纤通信;通信基础课如信号与系统、数字信号处理(option)；一门编程语言(我们用CPP)，或一种数学工具如Matlab，Mathematica;一种绘图软件如Origin.,你应该具备什么基础?,I suggest that you have equipped yourself with these.,8,Overall goa
4、ls of this course,掌握光脉冲在光纤中传播的规律： 现象； 现象背后的物理机制； 这些现象对通信系统的影响及其控制方法。掌握光脉冲在光纤中的传播特性及其在光纤通信中的应用 传播特性器件原理器件,9,How do I teach？,讲授讲方法：学习方法，研究方法。讨论 Sometimes, I would like to discuss some questions with you. To ask questions and express your ideas! And, because I will tailor the class to your background.
5、(Give background survey.),10,How do I teach？,给任务 A. You should equip yourselves with the prerequisite courses; B. You must prepare the contents I will teach next time; C. I will also attempt to give an intuition, leaving the more quantitative results for the homework and reading.,11,How do you study
6、?,A. 来上课（Why bother coming to class?）；B. 去练习（查文献+推导+完成作业+模拟）;C. 相互之间多交流、多合作。多动脑、勤动手 多读文献，少qq,(不要跟陌生人说话！)。,12,第一章 导论,About optical fibers 认识光纤； 了解光纤特性: 线性特性: 吸收(损耗, 衰减), 色散; 非线性特性: 自相位调制, 受激散射, 四波混频. 了解光纤通信 About light (self-studying),13,The metric system,Prefixes:,Milli (m)10-3,Micro ()10-6,Nano (n)
7、10-9,Pico (p)10-12,Femto (f)10-15,Atto (a)10-18,Kilo (k)10+3,Mega (M)10+6,Giga (G)10+9,Tera (T)10+12,Peta (P)10+15,Small,Big,Well need to really know the metric system because the pulses are incredibly short and the powers and intensities can be incredibly high.,Exa (E)10+18,14,Remember some useful
8、numbers,玻璃中的光速 v = c / n 其中 c = 3 x 108 m/s, n 1.5频率 波长 = 光速e.g. for 1.5mm, frequency = 200THz波长用microns (微米mm) and nanometres (纳米nm)来衡量频率用 吉赫兹（GHz，109 Hz）来衡量A WDM channel spacing at 1.55mm might be 1nm - what is this in frequency?About 125GHz0.8nm 100GHz - well worth remembering!An optical amplifie
9、r has a pass band of 30-40nm ie 4THz脉冲宽度用皮秒(ps, 10-12 s)或飞秒 (fs, 10-15 s) 来衡量,15,光纤是什么？,silica claddingn2 1.45, R. Ramaswami & K. N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical Perspective ,光纤就是玻璃丝,16,纤芯包层相对折射率差,归一化频率,单模条件: V 2.405,典型多模光纤芯径 a=2530 m 单模 a5 m (=0.003)包层半径b=62.5 m,17,材料和制造,纤芯 掺杂GeO2和P2O5可
10、以提高纯石英的折射率,包层 掺杂硼和氟可以降低纯石英的折射率,光纤放大器： 利用ErCl3和Nd2O3这样的掺杂物在石英光纤的纤芯中同时掺入稀土离子Al2O3可以控制光纤放大器的增益谱,18,几种单模光纤,G.652单模光纤 满足ITU-T.G.652要求的单模光纤，常称为非色散位移光纤(NDSF)，其零色散位于1.3um窗口低损耗区，工作波长为1310nm（损耗为036dBkm）。我国已敷设的光纤光缆绝大多数是这类光纤。随着光纤光缆工业和半导体激光技术的成功推进，光纤线路的工作波长可转移到更低损耗（0.22dBkm）的1550nm光纤窗口。G.653单模光纤 满足ITU-T.G.653要求的
11、单模光纤，常称色散位移光纤（DSFDispersion Shifled Fiber），其零色散波长移位到损耗极低的1550nm处。这种光纤在有些国家，特别在日本被推广使用，我国京九干线上也有所采纳。美国ATT早期发现DSF的严重不足，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。但在日本，将色散补偿技术*用于G.653单模光纤线路，仍可解决问题，而且未见有日本的G.655光纤，似属个谜。G.655单模光纤 满足ITU-T.G.655要求的单模光纤，常称非零色散位移光纤或NZDSF（NonZero Dispersion Shifted Fi
12、ber）。属于色散位移光纤，不过在1550nm处色散不是零值（按ITU-T.G.655规定，在波长1530-1565nm范围对应的色散值为0.1-6.0psnm.km），用以平衡四波混频等非线性效应。商品光纤有如AT&T的TrueWave光纤，Corning的SMF-LS光纤（其零色散波长典型值为1567.5nm，零色散典型值为0.07psnm2.km）以及Corning的LEAF光纤。我国的“大宝实”光纤等。LEAF光纤 商品名为LEAF（Large Effective Area Fiber）的单模非零色散位移光纤，工作在 1550nm窗口；与标准的非零色散位移光纤相比，具有较大的“有效面积
13、”，因而较大的功率承受能力，适于使用高输出功率掺饵光纤放大器，即EDFA和密集波分复用（DWDM）技术的网络之用。,块状石英1.27m,19,Fiber Types,NDSF,NZ-DSF,LEAF,Core,o,Dispersion(tolerance),XPMCross Phase Modulation(tolerance),PMDPolarization Mode Dispersion(tolerance),FWMFour Wave Mixing(tolerance),Launch Power,1310 nm, 1560 nm, 1560 nm,better,worse,DSF,1550
14、 nm, 1530 nm,CorningLSF,LucentsTruewave,(critical problem with WDM),20,模式 (mode)是什么?,传输介质中电磁波的一种电磁场分布样式。由与电磁波传播方向垂直的平面内一种特殊的场图形所表征。光纤中的传播模的传播常数不能为任意值，它们是特征方程的一些解，取分离值，而特征方程是由这些模场必须满足的Maxwell方程组和一定的边界条件所决定的。,21,光纤模式,22,光纤模式,线性偏振模(LPmn): m是角坐标在从0到2弧度间变化时出现最大（或最小）强度值次数的一半；n是径坐标从0到无穷远变化时出现的最大强度值的次数。,23,
15、单模光纤和多模光纤,单模条件：,单模光纤: 传播一个模,多模光纤: 可传播多个模,24,光纤特性,线性特性 损耗（loss） 色散(dispersion) 偏振(polarization)非线性特性 自相位调制（SPM） 交叉相位调制（XPM） 四波混频（FWM） 受激Raman散射（SRS）,25,光能走多远? 吸收(损耗) &色散,Attenuation effect,Attenuation+chromatic dispersion,Light transmission is limited by attenuation and dispersion,Distance,Perfect pu
16、lse,Real pulse,光能走多远取决于几个参数: 吸收(损耗), 色散, 非线性,26,光纤损耗,ITU-T 定义L,C,S波段,dB/km,单模石英光纤损耗谱,27,When an electromagnetic wave interacts with the bound electrons of a dielectric, the medium response, in general, depends on the optical frequency . Far from the medium resonances, the refractive index is well ap
17、proximated by the Sellmeier equation where j is the resonance frequency and Bj is the strength of jth resonance. The sum extends over all material resonances that contribute to the frequency range of interest.,光纤色散,28,Mathematically where The parameters 1 and 2 are related to the refractive index n
18、and its derivatives through the relations,群速度色散（GVD）,群折射率,In the fiber-optics:,29,正常色散 D0,反常色散 D0, 20,在正常色散区, 光脉冲的较高的频率分量(蓝移)比 较低的频率分量(红移)传输得慢,在反常色散区, 光脉冲的较高的频率分量(蓝移)比 较低的频率分量(红移)传输得快,熔石英,单模光纤,为什么？,30,单模光纤(SMF: Single-Mode Fiber), 色散位移光纤(DSF: Dispersion Shifted Fibre) 和非零色散位移光纤(NZDSF : Non-Zero Disp
19、ersion Shifted Fiber)的色散图,Dispersion ( ps/nm/km),Wavelength (nm),WDM band,31,Blue and red shifted light overlaps with neighbouring pulse - giving intersymbol interference (i.s.i.) penalty,Penalty increases with bit rate as:pulses are closer together and linewidth increases with bit rate,Laser Linewi
20、dth and Dispersion,All optical signals have a non-zero optical bandwidthFibre dispersion interacts with signal spectrum to cause pulse broadening:,32,Higher Bit-rates are lessrobust to Chromatic Dispersion,60KM SMF-28,4 KM SMF-28,10 Gb/s,40 Gb/s,色散效应对高速通信系统的影响,CD of SMF,t,t,33,偏振模色散(PMD: Polarizatio
21、n Mode Dispersion),光纤纤芯形变导致两个分量以不同的速度传播,光场由两个分量组成(2 polarization modes),Wavelength,Original pulse,PMD measurements on old fibers validated 10Gbit/s feasibility,Pulse spreading,34,光纤通信选择哪些波长窗口?,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,Attenuation (dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,Wavelength (nm),Dispersion-u
22、nshiftedFiber,Dispersion-shifted Fiber,20 10 0-10-20,Dispersion (ps/nmkm),EDFAband,TrueWaveFiber,Attenuation(all Fiber types),+ Dispersion,Input Pulse,Output Pulse,Fiber Attenuation and Chromatic Dispersion,35,光纤通信选择哪些波长窗口?,The light sent in pulses has a certain range of frequency,Light,1310nm,1550n
23、m,Wavelength,Silica characteristics give minimum fiber attenuation in 2 windows,Light travels further at 1550nm,Wavelengths outside these windows do not travel well!,36,光纤特性,线性特性 损耗（loss） 色散(dispersion) 偏振(polarization)非线性特性 自相位调制（SPM） 交叉相位调制（XPM） 四波混频（FWM） 受激Raman散射（SRS）,37,Self phase modulation (S
24、PM)Cross phase modulation (XPM)Stimulated Raman Scattering (SRS) Stimulated Brillouin Scattering (SBS)Four wave mixing (FWM),光纤非线性(Fiber non-linearities),光在光纤中能走多远取决于如下几个参数: - 损耗(attenuation), - 色散(dispersion) and - 光纤非线性(fiber non-linearities) among which:,38,光纤非线性的产生机制,最主要的机制是光纤玻璃的折射率与通过其中的光功率有关。,
25、n0 = The refractive index of the fiber core at low optical power levels.n2 = The nonlinear refractive index coefficient (2.35 x 10-20 m2/W for silica).P = The optical power in Watts.Aeff = Effective area of the fiber core in square meters.,Leading to SPM, XPM, FWM,Question: how to eliminate the nonl
26、inearities produced by refractive index power dependence?,The Refractive Index of Silica versus Optical Power,第二种机制是光纤玻璃中的光散射现象，如受激Raman散射(SRS)和Brillouin散射(SBS)。,39,非线性效应在高速通信系统中的危害性,Important to consider nonlinear effects at higher rates (10Gb/s and above) at higher transmitted powers In DWDM, impo
27、rtant even at moderate powers and bit ratesSPMRefraction index variation induces chirp in a channel-dispersion penaltySignificant at high power levels CPMIn WDM system with multiple channels, the induced chirp in one channel depends on the refractive index variation with the intensity on other chann
28、el! FWMNew signals at combined frequencyDWDM system with DSF :crosstalk,40,Self-phase modulation,单通道相位效应信号功率改变介质折射率脉冲串通过光纤某点的功率随时间变化，P(t)功率随时间变化导致折射率随时间变化，从而导致瞬时频率改变（频率啁啾）产生的频率啁啾使信号谱加宽从而增加色散效应因而减少了比特率-距离积,41,Cross-phase modulation,多通道相位效应(several wavelengths present in fiber, each carrying different
29、 data)其它通道的信号功率起伏改变介质折射率脉冲串通过光纤某点的功率随时间变化，P(t)功率随时间变化导致折射率随时间变化，从而导致瞬时频率改变（频率啁啾）产生的频率啁啾使信号谱加宽从而增加色散效应因而减少了比特率-距离积,作替换：PP1+2P2,42,Stimulated Raman Scattering (SRS),将短波长信号的功率转移到长波长,Stimulated Brillouin Scattering (SBS),43,New frequencies given by vi + vj - vk If channels are equally spaced, four wave
30、mixing products will automatically lie on existing channels Unequal channel spacing is a way round the problem,Four Wave Mixing Products,44,Effects of fiber characteristics on WDM Transmission Properties,Loss,Attenuation,Dispersion,Distortion,Nonlinearity,New Frequencies,Gain,Amplification &Noise,Cause,Effect,45,Summary,Give a glimpse at what we will study later. I hope that you Review what you learn today; Read Chapter 1; Do exercises on Page 17; Prepare Chpater 2 that Ill teach next time.,46,
