自相位调制详述.docx

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自相位调制详述

重庆大学研究生报告

自相位调制

课程名称：

非线性光学

专业：

光学工程

班级：

光学工程二班

学号：

20140802004

姓名：

刘永风

成绩：

评语：

第1章自相位调制的频谱分析

1.1引言

1.2相干脉冲传输下自相位调制对脉冲频谱的影响

1.3部分相干脉冲传输下自相位调制对脉冲频谱的影响

第2章应用自相位调制的色散补偿技术

2.1引言

2.2自相位调制对光信号的影响

2.3色散补偿系统中SPM的影响

2.4小结

1.1引言

随着社会的发展，人类社会迈步进入信息时代，光纤无可质疑地成为信息交换中最重要的传输媒介。

光纤通信系统中，色散和非线性光学效应的问题一直是光通信研究的一个热点问题。

在强光的作用下，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。

高功率密度经过长距离的传输。

非线性效应就不可忽视了。

.随着干线光通信系统朝、着长距离、高速率密集型波分复用（WDM）系统方向发展，光纤的非线性效应对系统的影响日益突出。

非线性对信号传输的影响不仅引起损耗，也将引起信号脉冲展宽,限制输入信号功率和传输距离，并将导致频谱展宽和频率惆啾,在多信道系统中还会引起信道间串音。

光纤中低阶非线性效应会产生光信号的自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）限制输入信号功率和传输距离，并将导致频谱展宽和频率惆啾。

当光场较强时光纤折射率将随光场幅度的变化而变化,从而使相位随光场幅度而变化。

因此随着光场在光纤中的传输，光场自身产生的非线性效应而引起的非线性相移，使光纤中传输的光脉冲前、后沿的相位相对漂移，这种现象称为光场的自相位调制（SPM）本文分析了部分相干脉冲传输时,当光纤通信系统中非线性效应起主要作用。

色散相对比较弱时,由自相位调制引起的频谱演变。

1.2相干脉冲传输下自相位调制对脉冲频谱的影响

光的自相位调制是一种非线性效应,如同光束的自聚焦一样,光的自相位调制要求有相当强的光才能观察到。

SPM对光纤中脉冲传输的影响可以通过求解非线性传输方程（10.2-30）进行分析。

为了突出SPM对信号传输的影响,假定脉冲的中心波长位于光纤的零色散波长上,则在方程（10.2-30）中β2=0。

同时,如前面几节的讨论,作下述变换,定义出归一化振幅:

（1-1）

式中,P0为输入脉冲的峰值功率;α为光纤损耗系数;U（z,T）是按随传输损耗减小的脉冲振幅峰值归一化后得到的信号脉冲形式,它将只反映脉冲的形状和相位信息。

这样,方程（10.2-30）变为：

（1-2）

方程（1-2）的解为：

（1-3）

（1-4）

说明SPM效应并不影响初始脉冲的形状,但产生了随脉冲幅度而变化的相位调制因子由（4）可以看出非线性相移价

正比于

，那么它的瞬时变化恒等于脉冲光强的变化,引起脉冲的惆啾效应,使脉冲的不同的部位具有与中心频率饰不同的偏移量

（1-5）

的时间依赖关系可被看做频率咽啾,这种叨啾是由SPM引起的,它随传输距离的增大而增大。

换句话说,当脉冲沿光纤传输时,新的频率分量在不断产生这些由SPM产生的频率分量展宽了频谱使之超过了Z=0处脉冲的初始宽度脉冲频谱展宽的程度与脉冲的形状有关。

最大相移与光纤的有效长度、峰值功率有关。

最大相移峰值功率T0线性增大。

SPM所致频谱展宽在整个频率范围内伴随着振荡结构通常,频谱由许多峰组成,且最外层峰强度最大,峰的数目与最大相移有关,且随最大相移线性增加。

1.3相干脉冲传输下自相位调制对脉冲频谱的影响

前面讨论的SPM引起的频谱展宽是入射光场完全相干的情况,认为激光束的相干度足够高,譬如,只要激光光源的相干时间远大于脉冲宽度,引起的光脉冲频谱展宽就几乎不受光源部分时域相干的影响,在大部分的实际情况中,部分相干的影响都可忽略但实际上,一般来说,激光的光束是部分相干的,这是由于光源的自发辐射都会导致振幅和相位的随机起伏。

激光光源的相千时间Tc和脉冲宽度T0可比较时,部分相干的影响就要考虑我们可以认为是部分相干光的强度和相位都存在起伏,SPM将强度的起伏转变成附加的相位起伏,并使频谱展宽另外,当波在光纤中传输时,SPM不断减小相干时间,使其相干性越来越低。

部分相干光的光谱：

（1-6）

式中，相干函数定义为：

（1-7）

角括号表示对整个入射光场U（0,T）起伏的总平均U（0,T）的统计特性取决于光源对U（0,T）的实部和虚部都为高斯分布的热源,在这种特殊情况下,上式的相关函数可写成:

（1-8）

式中

是归一化传输距离。

对于完全相干场T=1。

对于高斯形输入相关函

。

部分相干脉冲传输时由于自相位调制（SPM）引起频谱演变,普遍表示为部分相干脉冲输出频谱G（w）等于单载频脉冲的SPM引起的惆啾频谱与光源的频谱的卷积。

该式g表示为光源的频谱，u表示为单载频脉冲的SPM引起的惆啾频谱。

其中

式中，非线性相移

如果输入为完全相干脉冲,那么激光光源的相干时间Tc趋于无限大。

那么完全相干场,

，此时为光源的频谱

那么脉冲输频谱

就是单载频脉冲的SPM引起的惆啾频谱U（w）。

由自相位调制（SPM）引起的频谱演变的普遍表示，即单载频脉冲SPM引起的惆啾频谱与光源的频谱的卷积，做出激光光源的相干时间Tc与脉冲宽度T0取不同比值下的脉冲输出频谱，见图2。

从图2可以看出激光光源相千时间Tc与脉冲度T0不同比值下的输出频谱的演变，从而得出当激光光源的相干时间Tc远大于脉冲宽度T0时，脉冲输出频

谱与图1中最大相移与单载频脉冲的SPM引起的惆啾频谱基本没变化。

当激光光源的相干时间Tc与脉冲宽度T0可比时，即部分相干脉冲传输下，部分相干脉冲输出频谱受到光源的频谱的影响，多峰结构的每一个峰开始展宽。

当激光光源的相干时间Tc小于脉冲宽度T0时,例如取Tc/T0=1/2结果分立的峰开始融合在一起。

在相干时间非常短的极限情况下,例如取Tc/T0=1/3和Tc/T0=1/10,多峰结构完全消失,其频谱展宽,部分相干脉冲输出频谱基本由光源的频谱决定。

第2章应用自相位调制的色散补偿技术

2.1引言

随着光通信技术的不断发展，光纤通信系统的容量和速率不断提高。

目前,10Gbit/s的SDH系统已投入商用，应用波分复用（WDM）技术可实现16×2.5Gbit/S以的超大容量通信，而掺饵光纤放大器（EDFA）技术的成熟使超长中继距离成为可能。

所以，新一代干线光纤通信系统将以大容量、长中继距离为其基本特点。

由于系统速率的提高，光纤的色散成为限制系统性能的重要因素。

如果不进行色散补偿或色散管理，10Gbit/S的系统只能传输十几公里。

目前已经提出了多种色散补偿方案，如:

色散补偿光纤（DCF）、色散支持传输、光相位共扼、光孤子传输等。

其中，使用DCF进行色散补偿简单方便且较经济，是应用较多的一种方法。

在光纤通信线路中使用EDFA能实现长距离无中继传输，但使耀合入光纤的光功率增大，可能会激发光纤中的非线性光学效应，如:

受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）、自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）等。

一般来说，非线性效应与光纤色散相互作用会加速系统传输性能的恶化，但合理地应用非线性效应也可以改善系统性能。

这里，我们将介绍一种利用DCF中的自相位调制效应提高色散补偿效果的技术。

2.2自相位调制对光信号的影响

在光脉冲的持续时间内，光强随时间变化，由于非线性折射效应引起的附加相位移也随时间变化，因此光脉冲的不同部位对应产生不同的相移，这种现象被称为自相位调制。

这种相移将引起光载频的偏移△W。

（2-1）

所以,光纤通信系统的速率越高,入纤光功率越大,那么SPM引起的频率漂移就越大。

这种频率移动与激光器的频率惆啾类似，可以看作是SPM引起的频率惆啾。

当激光器发送信号为高斯型脉冲时，这种惆啾如图1所示：

当被SPM展宽了频谱的光脉冲在色散不为零的光纤中传输时，SPM与光纤的群速度色散（GVD）相互作用，会使光信号在光纤的不同色散区产生不同的变化.在正常色散区,色散作用使光脉冲在传输过程中前沿发生频率红移,后沿发生蓝移,即产生了一个正的频率惆啾。

这样GVD的作用与SPM相同，使脉冲以更快的速率被展宽,色散的作用被加强,这时传输距离随入纤光功率增加而下降。

而在反常色散区,色散的作用与SPM相反,GVD提供了负的频率惆啾,光脉冲将被压缩,传输距离得到提高。

反映到光信号的频谱上,在正常色散区发生频谱压缩，反常色散区频谱被展宽。

2.3色散补偿系统中SPM的影响

图2中,Al、A2为掺饵光纤放大器，ATT是可变光衰减器,用来控制输入光功率。

用计算机对此系统的传输进行模拟。

从模拟的结果可以发现:

随输入DCF的光功率的增加,接收信号眼图变好,表现为眼图清晰、垂直张开度变大,如图3所示：

因为自相位调制与光功率成正比,增加输入功率加强了SPM效应,抵消了线路色散造成的信号劣化,使系统的传输性能得到改善；但过强的自相位调制会使色散得到过度补偿,眼图反而恶化,这从图3（c）可看出。

2.4小结

可以预见,今后光纤通信系统的色散补偿将大量采用DCF补偿技术。

对DCF中自相位调制效应的利用不但可以放宽光纤最大输入功率的限制,增加信号传输的中继距离,提高信噪比,而且减少了DCF的需求长度,具有广泛的应用前景。