1、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1光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著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2光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著8.1.1 非线性光学效应3光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著图 8.1.1 强电场引起非线性光学效应4光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著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，
2、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。5光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著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，
3、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。 6光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著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
4、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。7光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著（ 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
5、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。8光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著（ 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。 9光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著8.2 光纤拉曼放大器 EDFA只能工作在 1 5301 564 nm之间的 C 波段； 光纤拉曼放大器可用于全波光纤工作窗口。 因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益 光纤拉曼放大器已成功地应用于 DWDM 系统和无中继海底光缆系统中。10光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著
