非線性光纖光學第一章 導論

1、文雙春唐志祥2002009 9年年2 2月月1 17 7日星期二日星期二1Why study Optical Fiber Communication?n一代材料，一代系統(tǒng)！一代材料，一代系統(tǒng)！n作為信息的物理載體，新一代信作為信息的物理載體，新一代信息材料的廣泛應用將直接推動整息材料的廣泛應用將直接推動整個信息系統(tǒng)的更新?lián)Q代！個信息系統(tǒng)的更新?lián)Q代！2現(xiàn)今通信系統(tǒng)的發(fā)展困境n摩爾經(jīng)驗法則預示著微電子技術正走向摩爾經(jīng)驗法則預示著微電子技術正走向物理上和技術上的極限。物理上和技術上的極限。n光子代替電子作為信息的載體光子代替電子作為信息的載體，不僅可，不僅可以克服微電子器件發(fā)展的物理極限，而以克服微

2、電子器件發(fā)展的物理極限，而且在信息容量、傳播速度、能量損耗、且在信息容量、傳播速度、能量損耗、互連能力和并行能力等方面的性能都有互連能力和并行能力等方面的性能都有很大的提升。很大的提升。3光子光子 電子電子傳播速度傳播速度 108 m/s 104-105 m/s數(shù)據(jù)傳播速率數(shù)據(jù)傳播速率 光子遠遠大于電子光子遠遠大于電子載體帶寬載體帶寬 1012Hz 105Hz載流子相互作用載流子相互作用 弱弱 強強4 電子通信系統(tǒng)的核心是如何控制電子的運電子通信系統(tǒng)的核心是如何控制電子的運動狀態(tài)。與之類似，全光通信系統(tǒng)的關鍵就在動狀態(tài)。與之類似，全光通信系統(tǒng)的關鍵就在于于如何控制光子運動如何控制光子運動。然而

3、，設計出一種類似然而，設計出一種類似電子晶體的光子器件來控制光子的運動卻是困電子晶體的光子器件來控制光子的運動卻是困難重重，這成為全光通信系統(tǒng)應用的絆腳石。難重重，這成為全光通信系統(tǒng)應用的絆腳石。 光纖的使用已經(jīng)使我們朝以光子作為信息光纖的使用已經(jīng)使我們朝以光子作為信息載體的通信系統(tǒng)邁出了可喜的一步，但信息的載體的通信系統(tǒng)邁出了可喜的一步，但信息的輸入、輸出以及處理等核心部分仍然依靠傳統(tǒng)輸入、輸出以及處理等核心部分仍然依靠傳統(tǒng)電子器件！電子器件！5 光子晶體、超常材料光子晶體、超常材料等新型光子材料的出現(xiàn)等新型光子材料的出現(xiàn)將有可能改變這一現(xiàn)狀。將有可能改變這一現(xiàn)狀。 6D. K. Mynba

4、ev and L. L. Scheiner say, “你要成為電信業(yè)某個領域的專業(yè)人員的決定你要成為電信業(yè)某個領域的專業(yè)人員的決定-這也這也就意味著你要成為光纖通信領域內(nèi)的專業(yè)人員就意味著你要成為光纖通信領域內(nèi)的專業(yè)人員-預示預示著你職業(yè)生涯的美好未來。著你職業(yè)生涯的美好未來。我們的經(jīng)驗已經(jīng)表明，即使是對于剛畢業(yè)的大學生而言，他所面臨的問題不是找工作，而是如何在很多已經(jīng)很好的工作中找一個最好的工作。現(xiàn)在，電信業(yè)中的企業(yè)相互競爭工藝專業(yè)、工程師和產(chǎn)品經(jīng)理，他們甚至比那些急于尋找工作的求職者表現(xiàn)得更積極。所以，光纖技術的專業(yè)人員屬光纖技術的專業(yè)人員屬于美國工業(yè)中最高收入的階層。于美國工業(yè)中最高收

5、入的階層。”光纖通信技術光纖通信技術，機械工業(yè)出版社，200271.大學物理大學物理課程有關振動和波課程有關振動和波,電磁學和光學部分電磁學和光學部分;2.電磁場與電磁波電磁場與電磁波;3.光纖通信光纖通信;4.通信基礎課如通信基礎課如信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理(option)；5.一門編程語言一門編程語言(我們用我們用CPP)，或一種數(shù)學工具如，或一種數(shù)學工具如Matlab，Mathematica;6.一種繪圖軟件如一種繪圖軟件如Origin.你應該具備什么基礎你應該具備什么基礎?I suggest that you have equipped yourself with

6、 these.8Overall goals of this coursen掌握光脈沖在光纖中傳播的規(guī)律：掌握光脈沖在光纖中傳播的規(guī)律： 現(xiàn)象； 現(xiàn)象背后的物理機制； 這些現(xiàn)象對通信系統(tǒng)的影響及其控制方法。n掌握光脈沖在光纖中的傳播特性及其在光纖通信掌握光脈沖在光纖中的傳播特性及其在光纖通信中的應用中的應用 傳播特性器件原理器件9How do I teach？n講授講授講方法：學習方法，研究方法。講方法：學習方法，研究方法。n討論討論 Sometimes, I would like to discuss some questions with you. To ask questions and

7、express your ideas! And, because I will tailor the class to your background. (Give background survey.)10How do I teach？n給任務給任務 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 t

8、he more quantitative results for the homework and reading. 11How do you study?A. 來上課（來上課（Why bother coming to class?）；）；B. 去練習（查文獻去練習（查文獻+推導推導+完成作業(yè)完成作業(yè)+模擬）模擬）;C. 相互之間多交流、多合作。相互之間多交流、多合作。多動腦、勤動手多動腦、勤動手 多讀文獻，少多讀文獻，少qqqq(不要跟陌生人說話！)。12第一章第一章 導論導論nAbout optical fibers 認識光纖； 了解光纖特性: 線性特性: 吸收(損耗, 衰減), 色散;

9、非線性特性: 自相位調(diào)制, 受激散射, 四波混頻. 了解光纖通信 nAbout light (self-studying) 13The metric systemPrefixes:Milli (m)10-3Micro ()10-6Nano (n)10-9Pico (p)10-12Femto (f)10-15Atto (a)10-18Kilo (k)10+3Mega (M)10+6Giga (G)10+9Tera (T)10+12Peta (P)10+15SmallBigWell need to really know the metric system because the pulses a

10、re incredibly short and the powers and intensities can be incredibly high.Exa (E)10+1814Remember some useful numbersn玻璃中的光速 v = c / n 其中 c = 3 x 108 m/s, n 1.5n頻率 波長 = 光速qe.g. for 1.5mm, frequency = 200THzn波長用microns (微米mm) and nanometres (納米nm)來衡量n頻率用 吉赫茲（GHz，109 Hz）來衡量nA WDM channel spacing at 1.5

11、5mm might be 1nm - what is this in frequency?qAbout 125GHzq0.8nm 100GHz - well worth remembering!nAn optical amplifier has a pass band of 30-40nm ie 4THzn脈沖寬度用皮秒(ps, 10-12 s)或飛秒 (fs, 10-15 s) 來衡量15protectivepolymersheathsilica claddingn2 1.45losses 0.2 dB/km(amplifiers every50100km)but this is as go

12、od asit gets R. Ramaswami & K. N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical Perspective 光纖就是玻璃絲光纖就是玻璃絲Today,more complex profiles to tune dispersion“high” indexdoped-silica coren1 1.46“LP01”confined modefield diameter 8m121nnn 纖芯包層相對折射率差22 1 20120(), 2Vk a nnk 歸一化頻率單模條件: V 2.405 典型多模光纖芯徑 a=2530 m

13、 單模 a 1560 nm 1560 nmbetterworse50-55 mm2DSF1550 nm 1530 nmCorningLSFLucentsTruewave(critical problem with WDM)20模式模式 (mode)是什么是什么?n傳輸介質(zhì)中電磁波的一種電磁場分布樣式電磁場分布樣式。由與電磁波傳播方向垂直的平面內(nèi)一種特殊的場圖形所表征。n光纖中的傳播模的傳播常數(shù)不能為任意值，它們是特征方程的一些解，取分離值，而特征方程是由這些模場必須滿足的Maxwell方程組和一定的邊界條件所決定的。21光纖模式光纖模式22光纖模式光纖模式線性偏振模(LPmn): m是角坐標在

14、從0到2弧度間變化時出現(xiàn)最大（或最?。姸戎荡螖?shù)的一半；n是徑坐標從0到無窮遠變化時出現(xiàn)的最大強度值的次數(shù)。23405. 222210cVnnakV單模條件：單模條件：單模光纖單模光纖: 傳播一個模傳播一個模多模光纖多模光纖: 可傳播多個?？蓚鞑ザ鄠€模24光纖特性光纖特性n線性特性線性特性 損耗（loss） 色散(dispersion) 偏振(polarization)n非線性特性 自相位調(diào)制（SPM） 交叉相位調(diào)制（XPM） 四波混頻（FWM） 受激Raman散射（SRS）25光能走多遠光能走多遠? 吸收吸收(損耗損耗) &色散色散Attenuation effectAttenuat

15、ion+chromatic dispersionLight transmission is limited by attenuation and dispersionDistancePerfect pulseReal pulse光能走多遠取決于幾個參數(shù): 吸收(損耗), 色散, 非線性260.10.20.30.40.50.6波長波長 (nm)衰減衰減 (dB/km)1200110016001700140013001500CSL由于由于HO-引起的吸引起的吸收收(1385nm)dB/km單模石英光纖損耗譜27nWhen an electromagnetic wave interacts with

16、 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 approximated by the Sellmeier equation where j is the resonance frequency and Bj is the strength of jth resonance. The sum extends ov

17、er all material resonances that contribute to the frequency range of interest. 28 Mathematically where The parameters 1 and 2 are related to the refractive index n and its derivatives through the relations群速度色散（GVD）群折射率21222d2dddcnDc In the fiber-optics:29正常色散正常色散 D0反常色散反常色散 D0, 20零色散點零色散點 D=1,31m在正

18、常色散區(qū)在正常色散區(qū), 光脈沖的較高光脈沖的較高的頻率分量的頻率分量(藍藍移移)比比 較低的頻較低的頻率分量率分量(紅移紅移)傳傳輸?shù)寐數(shù)寐诜闯Ｉ^(qū)在反常色散區(qū), 光脈沖的較高光脈沖的較高的頻率分量的頻率分量(藍藍移移)比比 較低的頻較低的頻率分量率分量(紅移紅移)傳傳輸?shù)每燧數(shù)每烊凼文９饫w30單模光纖單模光纖(SMF: Single-Mode Fiber), 色散位移光纖色散位移光纖(DSF: Dispersion Shifted Fibre) 和非零色散位移光纖和非零色散位移光纖(NZDSF : Non-Zero Dispersion Shifted Fiber)的色散圖的色散圖

19、Dispersion ( ps/nm/km)Wavelength (nm)WDM band31Blue and red shifted light overlaps with neighbouring pulse - giving intersymbol interference (i.s.i.) penaltyPenalty increases with bit rate as:pulses are closer together and linewidth increases with bit rateLaser Linewidth and DispersionnAll optical s

20、ignals have a non-zero optical bandwidthnFibre dispersion interacts with signal spectrum to cause pulse broadening:32Higher Bit-rates are lessrobust to Chromatic Dispersion12141618202215001525155015751600Wavelength (nm)Dispersion (ps/nm km)60KM SMF-284 KM SMF-2810 Gb/s40 Gb/s色散效應對高速通信系統(tǒng)的影響CD of SMFt

21、t33偏振模色散偏振模色散(PMD: Polarization Mode Dispersion)光纖纖芯形變導致兩個光纖纖芯形變導致兩個分量以不同的速度傳播分量以不同的速度傳播光場由兩個分量組成光場由兩個分量組成(2 polarization modes)WavelengthOriginal pulsePMD measurements on old fibers validated 10Gbit/s feasibilityPulse spreading34光纖通信選擇哪些波長窗口光纖通信選擇哪些波長窗口?0.10.20.30.40.50.6Attenuation (dB/km)16001700

22、14001300120015001100Wavelength (nm)Dispersion-unshiftedFiberDispersion-shifted Fiber 20 10 0-10-20Dispersion (ps/nmkm)EDFAbandTrueWaveFiberAttenuation(all Fiber types)+ DispersionInput PulseOutput PulseFiber Attenuation and Chromatic Dispersion35光纖通信選擇哪些波長窗口光纖通信選擇哪些波長窗口?The light sent in pulses has

23、a certain range of frequencyLight1310nm1550nmWavelengthSilica characteristics give minimum fiber attenuation in 2 windows Light travels further at 1550nmWavelengths outside these windows do not travel well!1310nm1550nmAttenuation36光纖特性光纖特性n線性特性線性特性 損耗（loss） 色散(dispersion) 偏振(polarization)n非線性特性非線性特性

24、 自相位調(diào)制（SPM） 交叉相位調(diào)制（XPM） 四波混頻（FWM） 受激Raman散射（SRS）37 Self phase modulation (SPM) Cross phase modulation (XPM) Stimulated Raman Scattering (SRS) Stimulated Brillouin Scattering (SBS) Four wave mixing (FWM)光纖非線性光纖非線性(Fiber non-linearities)光在光纖中能走多遠取決于如下幾個參數(shù)光在光纖中能走多遠取決于如下幾個參數(shù): - 損耗損耗(attenuation), - 色散色散

25、(dispersion) and - 光纖非線性光纖非線性(fiber non-linearities) among which:38光纖非線性的產(chǎn)生機制光纖非線性的產(chǎn)生機制n最主要的機制是光纖玻璃的最主要的機制是光纖玻璃的折射率與通過其中的光功率有關折射率與通過其中的光功率有關。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

26、optical power in Watts.Aeff = Effective area of the fiber core in square meters. Leading to SPM, XPM, FWMQuestion: how to eliminate the nonlinearities produced by refractive index power dependence? The Refractive Index of Silica versus Optical Power n第二種機制是光纖玻璃中的第二種機制是光纖玻璃中的光散射現(xiàn)象光散射現(xiàn)象，如受激，如受激Raman散射

27、散射(SRS)和和Brillouin散射散射(SBS)。39非線性效應在高速通信系統(tǒng)中的危害性非線性效應在高速通信系統(tǒng)中的危害性n Important to consider nonlinear effects at higher rates (10Gb/s and above) at higher transmitted powers nIn DWDM, important even at moderate powers and bit ratesqSPMnRefraction index variation induces chirp in a channel-dispersion pen

28、altynSignificant at high power levelsq CPMnIn WDM system with multiple channels, the induced chirp in one channel depends on the refractive index variation with the intensity on other channel!q FWMnNew signals at combined frequencynDWDM system with DSF :crosstalk40Self-phase modulationq單通道相位效應q信號功率改變介質(zhì)折射率q脈沖串通過光纖某點的功率隨時間變化，P(t)q功率隨時間變化導致折射率隨時間變化，從而導致瞬時頻率改變（頻率啁啾）q產(chǎn)生的頻率啁啾使信號譜加寬從而增加色散效應產(chǎn)生的頻率啁啾使信號譜加寬從而增加色散效應q因而減少了比特率因而減少了比特率-距離積距離積41Cross-phase modulation 多通道相位效應多通道相位效應(several wavelengths present in fiber, each carrying different data) 其它通道的信號功率起伏改變介質(zhì)折其它通道的信號功率起伏