光纤中非线性效应的建模分析

摘要 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具，它具有巨大的带宽资源和优异的传输性能，是满足超高速大容量远距离通信系统传输的理想媒介。 在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性,光纤也不例外从其基能级看,介质非线性响应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电子的非谐振运动有关,结果导致电偶极子的极化强度P对于电场E是非线性的,这些极子的极化决定了光纤中非线性效应的产生。本文对几种非线性效应进行建模，利用软件Matlab进行仿真分析，给出详细的理论分析和仿真结果图。 关键字：光纤、非线性、MATLAB、仿真 本课题研究意义 人类社会进入 20 世纪 90 年代以来，信息技术革命的步伐大大加快。90 年代后期，随着 Internet 应用的普及和深化，各种高新技术广泛应用于国民经济各部门和社会活动各领域，使现代社会的信息愈来愈丰富，信息量愈来愈大。网络的业务重心已从传统的语音业 务，转向以数据、图像、多媒体、可视电话、高清晰度电视、远程教育和医疗、家庭办公 等各种增值业务和智能业务为代表的高速数据业务。随着人类社会信息化速率的加快，对 通信的需求呈高速增长的趋势，对现有通信网络的传输速度和容量以及覆盖范围也提出了 新的要求。 随着光纤传输技术的不断发展，光传输已成为传输领域中的主导技术。光纤以其巨大 的带宽资源和高抗干扰等优异的传输性能，而成为高速率大容量长距离通信网络的最理想 的传输媒质。近年来波分复用技术的大量应用，使光传输速率已在向每秒太比特的数量级 进军。目前用于光通信的光载波频率的数量级大约在 10000，而光纤自身的理论带宽可达到 1THz 以上，因此光纤的传输能力大部分尚未开发。限制光纤通信发展的因素有：电端机中 电子器件响应速度的限制、通信模式的限制和光纤非线性的限制等。 1.2国内外研究现状 ??? 光纤通信已成为现代通信网的基本组成部分，随着语音、图像、数据等信息量的爆炸式增长，尤其是因特网的迅速崛起，不断扩大光纤通信容量已成为必然的趋势。信息界人士一致认为，波分复用系统和掺铒光纤放大器是充分发掘光纤宽带能力，实现大容量、高速通信的最佳手段。在DWDM通信系统中，由于EDFA的实用化，光纤损耗对系统的影响已经不是重要的因素了，但随着光纤中光功率增大、信道数量增多，已使光纤非线性效应成为影响系统的主要因素。光纤非线性效应会对系统产生怎样的影响，了解了这些影响之后我们才能在设计和使用中采取措施尽量避免或减小这些因素对系统所产生的影响。 ??? 光纤中的非线性效应分为非线性受激散射和折射率扰动两类。其中，非线性受激散射分为受激布里渊散射和受激拉曼散射，折射率扰动则分为自相位调制（SPM）、交叉相位调制（CPM）和四波混频（FWM）三种[3]。 ??? 折射率扰动中的三种非线性效应对系统的影响各不相同：自相位调制会增强色散脉冲的展宽效应从而大大增加系统的功率代价；交叉相位调制引起的频率啁啾将转换为输出光信号的强度起伏和时间抖动，从而恶化传输系统的性能；而四波混频则会对系统的信道产生干扰，严重影响系统的传输性能[1]。 这几种非线性效应使得系统信道间产生串话和功率代价，从而限制光纤通信的传输容量和最大传输距离，影响系统的设计参数。对于系统中的非线性效应一方面应采取措施限制其不利的方面，同时利用其原理加以应用并制作出新的光学器件[2]。因此如果想采取措施加以避免或加以利用，就必须先了解这几种非线性效应理论上会对系统造成怎样的影响，本次毕业设计的目的就是分别验证几种非线性效应对系统的影响，通过建模仿真分析来验证在不同的输入脉冲条件下几种非线性效应所导致的系统时域及频谱的变化情况。 1．3本文研究内容 在综述中所提到的光纤中非线性效应共分为两大类，本次毕业设计研究的方向是第二类，即折射率扰动。通过对自相位调制（SPM）、交叉相位调制(CPM)和四波混频(FWM)这三种非线性效应的产生机理、对系统光波传输影响等理论的掌握，并且了解光波在光纤中传播的分析方法，从而通过Matlab软件进行建模仿真分析，得出在不同输入脉冲条件下，几种非线性效应导致的光脉冲的时域以及频谱变化图，实现对这三种非线性效应对系统影响的充分了解、掌握与验证三种非线性效应对系统传输影响的系统功能。