（通信与信息系统专业论文）光孤子通信系统传输特性及其偏振模色散的研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丛蟹 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：型垒垂耻导师签名：椒日 期：生丝z 山东大学硕士学位论文 摘要 光纤通信系统以其传输速度快、传输距离远、信息容量大、保密性强等优势 而备受人们的青昧，并已成为现代通信的主体。光孤子通信是一种全新的超高速、 大容量、超长距离的非线性全光通信技术。它以非线性光学作为理论基础，降低 或克服了光纤色散对光信号传输的限制，通信距离可达数万公里，并适用于波分 复用和光时分复用长距离高速光纤通信，是进一步提高光纤通信系统容量的最佳 通信方式。本论文旨在研究光孤子在单模光纤中的传输特性以及光孤子通信系统 中的高阶非线性效应和偏振模色散对光孤子传输的影响及其抑制问题。论文在分 析光孤子传输的基本原理和性质的基础上，就光孤子通信系统中的若干问题进行 了初步探讨，重点研究了高阶非线性效应拉曼自频移效应和偏振模色散对光 孤子传输特性和孤子之间相互作用的影响及其抑制。 论文首先对光孤子通信的基本概念和影响光孤子通信系统的传输特性和传 输容量的主要因素进行了分析和介绍，简述了当前光孤子通信的发展状况和发展 前景：其次，利用数值方法一对称分步傅立叶算法求解了描述单模光纤中光脉 冲传输的基本方程非线性薛定谔方程和高阶修正的非线性薛定谔方程，重点 讨论了单模光纤中光孤子的形成机制，分析了光孤子脉冲的传输特性：再次，作 为比较，论文在不考虑高阶非线性效应的情况下，从初始入射脉冲的相位差和相 对振幅两个角度分析了孤子脉冲之间相互作用，而后详细讨论了在脉冲内拉曼散 射效应影响下，同相和反相相邻基态和高阶孤子之间的相互作用，分析了孤子之 间的相互作用对定时抖动的影响和脉冲内拉曼散射效应对孤子频移的影响，并提 出和证明了非线性增益和滤波控制对脉冲内拉曼散射效应影响下孤子脉冲之间 相互作用的有效抑制；然后，以描述光脉冲在双折射光纤中传输过程的耦合非线 性薛定谔方程作为理论模型，利用分步傅立叶算法从时域角度模拟了光孤子的演 化过程，从频域角度分析了频谱的变化，同时研究了双折射光纤中相邻同相和正 交孤子之间的相互作用，并分析了相对振幅、初始入射功率以及偏振模色散对相 邻光孤子脉冲之间相互作用的影响；最后，以m a n a k o v 方程作为分析偏振复用 孤子系统的理论模型，论文研究了偏振复用系统中多个孤子脉冲之间的相互作 3 山东大学硕士学位论文 用，分析了偏振复用孤子脉冲之间的相互作用对偏振复用孤子系统定时抖动的影 响，并针对这一问题提出了利用非线性增益来有效抑制偏振复用系统中孤子脉冲 之问相互作用的解决方案。 在论文的最后对本文工作进行了较为系统的总结和展望。在已有的理论基础 和已得到的研究结果的基础上，对光孤子通信系统中的有待进一步开展的后续工 作。如各种高阶非线性效应及其联合作用、偏振模色散和孤子之间的相互作用对 光孤子通信系统的影响及其抑制，以及光孤子传输系统的设计及其系统参数的优 化，做了一个初步说明。 关键词：光纤通信，光孤子，偏振模色散，拉曼散射效应，定时抖动，非线性薛 定谔方程，孤子互作用，非线性增益 4 k n o w nf o ri t sp e r s p e c t i v ea d v a n t a g e so f h i g hs p e e d ，l o n gd i s t a n c e ，h i g hc a p a c i t y , l l i g hs e c u r i t ya n de t c o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss t a n dh i 【g hi np e o p l e sf a v o r s a n dh a v eb e c o m eo n eo fp r i n c i p l ep a r t so fm o d e mc o m m u n i c a t i o n o p t i c a ls o l i t o n c o m m u n i c a t i o ni sak i n do fn e wu l t r a h i g h 一；p e e d ，h i g h - c a p a c i t y , u l t r a - l o n gh a u l n o n l i n e a ra l lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i ti sb a s e do nn o n l i n e a rf i b e ro p t i c s ； i tr e d u c e so ro v e r c o m e st h el i m i t a t i o n so ff i b e rd i s p e r s i o no no p t i c a lp u l s e s ；i t s c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ec a nb eu pt os e v e r a lt e nt h o u s a n dk i l o m e t e r s ；i ta d a p t st o w d ma n do t d mh i g h - s p e e dl o n g - h a u lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；a n di ti sc o n s i d e r e d t h ep e r f e c tc o m m u n i c a t i o nm o d et of u r t h e ri n c r e a s eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y t h ep u r p o s eo f t h i st h e s i si st os t u d yt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f o p t i c a ls o l i t o n s i ns i n g l e - m o d eo p t i c a lf i b e r sa n dt h ei n f l u e n c eo fh i g h - o r d e rn o n l i n e a re f f e c t sa n d p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ( p m d ) t os o l i t o np r o p a g a t i o na n dt h e i rs u p p r e s s i o ni n o p t i c a ls o l i t o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b a s e do nt h ea n a l y s i so fb a s i cp r i n c i p l e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so f o p t i c a ls o l i t o n ，a n u m b e ro fa s p e c t so f o p t i c a l s o l i t o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa l ee x a m i n e di n t h i st h e s i sa n dt h ei m p a c t so fo n eo f h i g l l o r d e r n o n l i n e a re f f e c t s ，r a m a n s e l f - f r e q u e n c ys h i f t ，a n dp m dt o s o l i t o n p r o p a g a t i o na n dt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nn e i g h b o r i n gs o l i t o n sa n dt h e i rs u p p r e s s i o n s a r ei n v e s t i g a t e di n t e n s i v e l y t h eb a s i cc o n c e p t so fo p t i c a ls o l i t o nc o m m u n i c a t i o na n dt h em a j o rf a c t o r s i m p a c t i n gt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y a r ef i r s t l y i n t r o d u c e da n da n a l y z e d ，a n dt h el a t e s tr e s e a r c hd e v e l o p m e n t sa n di t sp e r s p e c t i v e si n o p t i c a ls o l i t o nc o m m u n i c a t i o na r er e v i e w e d s e c o n d l y , b a s e d o nf l a en o n l i n e a r s c h r f i d i n g e re q u a t i o n sa n dh i g h - o r d e r n o n l i n e a rs c h r & l i n g e re q u a t i o n s ，w h i c h d e s c r i b et h ep u l s ep r o p a g a t i o ni ns i n g l em o d eo p t i c a lf i b e r s ，t h ef o r m a t i o no fo p t i c a l s o l i t o n si se l u c i d a t e db ys i m u l a t i o nt h eo p t i c a lp u l s ee v o l u t i o nu s i n gs y m m e t r i c a l s p l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o da n dt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c a ls o l i t o n sa l e 5 山东大学硕士学位论文 i d i s c u s s e d s u b s e q u e n t 5a sac o m p a r i s o n ，s o l i t o ni n t e r a c t i o n sa r ea n a l y z e dw i t h d i f f e r e n c ei n i t i a lr e l a t i v e p h a s ed i f f e r e n c ea n dr e l a t i v e a m p l i t u d e w i t h o u t c o n s i d e r a t i o no fh i 曲一o r d e rn o n l i n e a re f f e c t sa tf i r s t a n dt h e nu n d e rt h ei n f l u e n c eo f i n t r a p u l s er a m a ns c a t t e r i n g ，t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e ni n - p h a s ea n do u t p h a s eo p t i c a l b a s i ca n dh i g ho r d e rn e i g h b o r i n gs o l i t o n sa r ei n v e s t i g a t e db yn m r l e r i c a ! s i m u l a t i o ni n d e t a i l ，a n dt h ei m p a c t so fs o t i t o ni n t e r a c t i o n st ot i m i n gj i t t e ra n dt h ei m p a c t so f r a m a ne f f e c t st os o l i t o nf r e q u e n c ys h i f ta r ea n a l y z e d ，r e s p e c t i v e l y a n di ti sp r o p o s e d a n dp r o v e dt h a tan o n l i n e a rg a i nc a r lb eu s e dt oe f f e c t i v e l ys u p p r e s st h es o l i t o n i n t e r a c t i o n su n d e rt h ei n f l u e n c eo fi n t r a p u l s er a m a ns c a t t e r i n g f u r t h e r m o r e ，b a s e d o nt h e c o u p l e dn o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o n s ，w h i c hd e s c r i b et h e p u l s e p r o p a g a t i o ni nb i r e f r i n g e n to p t i c a lf i b e r s ，t h ee v o l u t i o no fo p t i c a ls o l i t o np a i r si s s i m u l a t e di nb o t ht i m ea n df r e q u e n c yd o m a i nu s i n gs p l i ts t e pf o u r i e rm e t h o da n dt h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e n i n - p h a s e a n d o r t h o g o n a l s o l i t o n sa r e i n v e s t i g a t e d s i m u l t a n e o u s l y , t h ee f f e c t so fr e l a t i v ea m p l i t u d e ，i n i t i a lp o w e ra n dp o l a r i z a t i o n m o d e d i s p e r s i o nt ot h ei n t e r a c t i o n so fi n - p h a s ea n do r t h o g o n a ls o l i t o n sa r ed i s c u s s e d a tl a s t a c c o r d i n gt om a n a k o ve q u a t i o n s 。t h em u l t p l e s o l i t o n i n t e r a c t i o n si n a p o l a r i z a t i o n - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e ma r en u m e r i c a l l ys t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h e i m p a c t so fs o l i t o n i n t e r a c t i o n st o t i m i n gj i t t e ra r ea n a l y z e d a s a c o u n t e r m e a s u r e ，an o n l i n e a rg a i ni sp r o p o s e dt oe f f e c t i v e l ys u p p r e s st h es o l i t o n i n t e r a c t i o n si nap o l a r i z a t i o n - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e ma n ds t a b i l i z et h es o l i t o n p r o p a g a t i o n a tt h el a s t p a r to ft h i st h e s i s ，ar e l a t i v ed e t a i ls u m m a r ya n dp r o s p e c t sa r e p r o p o s e d b a s e do nt h ek n o w nt h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，s o m e f u l t h e re f f o r t ss h o u l db ep a i di nt h ef o l l o w i n gt o p i c s ，b u ta 糟n o tl i m i t e d ，s u c ha so t h e r h i g h - o r d e rn o n l i n e a re f f e c t sa n dt h e i rc o m b i n a t i o ne f f e c t s ，p m d ，t h ei m p a c t so f s o l i t o ni n t e r a c t i o n st ot h es o l i t o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h e i rs u p p r e s s i o na n d s o l i t o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g na n di t sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：0 p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，o p t i e a ls o l i t o n ，p o l a r i z a t i o n m o d e d i s p e r s i o n ，r a m a ns c a t t e r i n ge f f e c t ，t i m i n gj i t t e r , n o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o n 州l s e ) ，s o l i t o ni n t e r a c t i o n , n o n l i n e a rg a i n 6 山东大学硕士学位论文 a s e c n l s e d g d d m d e d f a e d f a f f t f w h m f w m g v d h o d h o n l s i m ，d d n l s e o t d m p d m p m d r m s s b s s f s s o a s p m s r a s r s s s s s f m 缩略名词索引 a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n 放大的自发辐射 c o u p l e dn o n l i n e a rs e h r d d i n g e re q u a t i o n 耦合非线性薛定谔方程 d i 虢r e n t i a lg r o u pd e l a y群时延差 d i s p e r s i o nm a n a g e m e n t 色散管理 d i s t r i b u t e de r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r 分布式掺铒光纤放大器 e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r 掺铒光纤放大器 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶变换 f u l lw i d t ha th a l f m a x i m u m半最大值全宽 f o u r - w a v em i x i n g四波混频 g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n 群速度色散 h i g h o r d e rd i s p e r s i o n 高阶群速度色散 h i g h o r d e rn o n l i n e a rs e h r 6 d i n g e re q u a t i o n 高阶修正非线性薛定谔方程 i n t e n s i t ym o d u l a t i o nw i t hd i r e c td e t e c t i o n 强度调制直接检测 n o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o n非线性薛定谔方程 o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 光时分复用 p o l a r i z a t i o nd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g偏振复用 p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n 偏振模色散 r o o tm e a ns q u a r e 均方根 s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g 受激布里渊散射 s e l f - f r e q u e n c ys h i l l 自频移 s e m i c o n d u e t o ro p t i c a la m p l i f i e r 半导体光放大器 s e l f - p h a s em o d u l a t i o n 自相位调制 s t i m u l a t e dr a m a na m p l i f i e r 受激拉曼放大器 s t i m u l a t e dr a n l a ns c a t t e r i n g 受激拉曼散射 s e l fs t e e p i n g 自陡峭 s p l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o d 分步傅立叶算法 7 山东大学硕士学位论文 s s f s s y m m e t r i c a ls d l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o d 对称分步傅立叶算法 t o dt h i r d o r d e rd i s p e r s i o n三阶群速度色散 w d m w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 波分复用 x p m c r o s s p h a s em o d u l m i o n 交叉相位调制 z d w l z e r o d i s p e r s i o nw a v e l e n g t h 零色散波长 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着信息社会的到来，特别是信息高速公路的提出和多媒体通信的出现，大 量信息的传输正在逐渐耗尽现有的带宽：光纤通信系统以其传输速度快、传输距 离远、信息容量大、保密性强等优势而备受人们的青睐，并已成为现代通信的主 体【1 3 】。目前，世界上实用化的光纤通信系统以线性光学原理作为理论基础，即 线性系统。在这种线性系统中。限制高速率数字脉冲长距离传输的因素主要是光 纤中的损耗和色散。由于目前常用的1 5 5 u r n 光纤的损耗已降低到0 1 8 d b k m ( 接 近0 1 0 d b k m 的理论极限值) 。无中继传输距离达上百公里。光纤的色散使光脉 冲沿光纤展宽导致先后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，因此，色散 便成为限制光纤通信系统性能提高的主要因素。 在信息量激增的今天，光纤传输系统的容量己不能满足商业应用的要求，建 设可靠、经济、宽带大容量的高速长距离光纤通信已成为未来通信的必然趋势。 目前四种超高速、超长距离光纤通信方式：强度调制，直接检波( i m 国d ) 、波分 复用( w d m ) 、光时分复用( o t d m ) 和光孤子通信【4 8 】。光孤子通信是一种全 新的超高速、大容量、超长距离的非线性全光通信技术。它以非线性光学作为理 论基础，降低或克服了光纤色散对光信号传输的限制，其传输速率比线性光纤通 信系统高2 3 个数量级，通信距离可达数万公里，并适合w d m 和o t d m 长距 离通信，是进一步提高通信系统容量的最佳通信方式。 光纡线性通信系统的两个缺陷，在光纤孤子通信中均不存在：一方面，传输 过程的传输损耗可由掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益来补偿，而传统的中继站 中所进行的光的检测和再生过程被取代，代之以对光脉冲的直接放大，这就是所 谓的“全光”过程。另一方面光纤色散被非线性效应所补偿而达到平衡，形成了 所谓的“光孤子现象”，使得光孤子脉冲能够稳定地传输。光孤子通信提出的2 0 多年来，光孤子通信系统的研究取得重大进展，i t u 已提出了光孤子通信系统的 标准建议，光孤子通信技术即将成为新一代商用化的通信技术。 本论文旨在研究光孤子脉冲在单模光纤中的传输特性以及光孤子通信系统 9 1 1 引言 第一章绪论 随着信息社会的到来，特别是信息高速公路的提出和多媒体通信的出现，大 量信息的传输正在逐渐耗尽现有的带宽：光纤通信系统以其传输速度快、传输距 离远、信息容量大、保密性强等优势而备受人们的青睐。并已成为现代通信的主 体 1 3 】。目前，世界上实用化的光纤通信系统以线性光学原理作为理论基础，即 线性系统。在这种线性系统中，限制高速率数字脉冲长距离传输的因素主要是光 纤中的损耗和色散。由于目前常用的1 5 5 u r n 光纤的损耗已降低到0 1 9 d b k m ( 接 近0 】0 d b k m 的理论极限值) 无中继传输距离达上百公里。光纤的色散使光脉 冲沿光纤展宽导致先后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，因此，色散 便成为限制光纤通信系统性能提高的主要因素。 在信息量檄增的今天，光纤传输系统的容量己不能满足商业应用的要求，建 设可靠、经济、宽带大容量的高速长距离光纤通信已成为未来通信的必然趋势。 目前四种超高速、超长距离光纤通信方式：强度调制，直接检波( i m ，d d ) 、波分 复用( w d m ) 、光时分复用( o t d m ) 和光孤子通信【4 8 。光孤子通信是一种全 新的超高速、大容量、超长距离的非线性全光通信技术。它以非线性光学作为理 论基础，降低或克服了光纤色散对光信号传输的限制，其传输速率比线性光纤通 信系统高2 3 个数量级，通信距离可达数万公里，并适合w d m 和o t d m 长距 离通信，是进一步提高通信系统容量的最佳通信方式。 光纤线性通信系统的两个缺陷，在光纤孤子通信中均不存在：一方面，传输 过程的传输损耗可由掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益来补偿，而传统的中继站 中所进行的光的检测和再生过程被取代，代之以对光脉冲的直接放大，这就是所 谓的“全光”过程。另一方厦光纤色散被非线性效应所补偿而达到平衡形成了 所谓的“光孤子现象”，使得光孤子脉冲能够稳定地传输。光孤子通信提出的2 0 多年来，光孤子通信系统的研究取得重大进展，i n j 己提出了光孤子通信系统的 标准建议。光孤子通信技术即将成为新一代商用化的通信技术。 本论文旨在研究光孤子脉冲在单模光纤中的传输特性以及光孤子通信系统 本论文旨在研究光孤子脉冲在单模光纤中的传输特性以及光孤子通信系统 9 山东大学硕士学位论文 中的高阶非线性效应和偏振模色散。论文在分析光孤子脉冲传输的基本原理和性 质的基础上，就光孤子通信系统中的若干问题进行了初步探讨，重点研究了高阶 非线性效应脉冲内拉曼自频移效应和偏振模色散对孤子传输特性和孤子之 间相互作用的影响及其抑制，为构建新的高速、大容量光孤子通信系统和在已有 的光纤通信系统的基础上，采用光孤子技术实现扩容提供理论参考和技术支持。 本章主要是介绍光孤子通信的基本概念，简单分析影响光孤子通信系统传输 特性和传输容量的主要因素，然后回顾了当前光孤子通信的发展状况和发展前 景，最后简述了本论文所研究的主要问题以及针对这些问题所给出的解决方案。 1 2 光孤子通信的基本概念 1 2 1 光孤子通信系统1 5 】 光孤子通信是利用光纤色散与非线性相互作用之间的平衡来实现的一种光 纤通信方式。光纤中的群速色散( g v d ) 使脉冲在传输过程中不断展宽，而光纤的 非线性效应使脉冲压缩，当二者的相互作用达到平衡时，脉冲的展宽和压缩刚好 抵消，光脉冲孤子在传输过程中将始终保持形状不变，从而可以实现超长距离的 稳定传输。 光孤子通信系统的基本组成结构如图1 1 所示。光孤子发送终端由超短脉冲 半导体或铒光纤激光器、光调制器、信息源和光纤功率放大器构成，用于产生光 孤子脉冲信号；光孤子传输线路由光隔离器、线路放大器、前置放大器以及普通 单模光纤( g 6 5 2 ) 或色散位移光纤( g 6 5 3 ) 构成；光孤子接收终端由宽带光接收机 或分析仪、误码仪及条纹相机构成，用于接收光孤子信号及测试系统传输特性。 光孤子源产生的光孤子脉冲流经调制器将要传输的信号加载于光孤子流上，然后 经功率放大器放大后进入光纤传输。沿途有若干线路放大器补偿光孤子的能量衰 减，同时平衡色散与非线性效应的相互平衡，以保证光孤子的幅度与形状稳定不 变。光孤子能量补偿放大器由掺铒光纤放大器( e d f a ) 或半导体光放大器( s o a ) 组成，也可用传输光纤本身的受激喇曼放大( s i u ) 或在传输光纤中掺入稀土铒元 素构成的分布式掺铒光纤放大( d e d f a ) 系统组成。在接收端通过光孤子检测装 置及其它辅助设施实现信号的还原。 1 0 山东大学硕士学位论文 图1 1 光孤子通信系统的基本组成结构 1 2 2 影响光孤子传输特性和传输容量的主要因素 影响光孤子传输特性和传输容量的主要因素从总体上可分为两个方面：一是 由光纤介质引起的，如损耗、群速度色散、高阶效应和偏振模色散( p m d ) 等； 二是非线性相互作用，如自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、四波混 频( f w m ) 等。影响光孤子通信的主要因素具体表现在如下几个方面： 1 光纤损耗：光纤损耗引起孤子能量的减小，降低了的峰值功率将削弱非 线性效应，从而不足以抵消g v d ，最终导致孤子脉冲的展宽。理论上已经证明 由于光纤损耗的存在，孤子脉冲的峰值振幅随传输距离按指数形式( e x p ( 一) ) 迅 速衰减，而基态孤子的脉冲宽度将按指数形式( 五( z ) = 瓦e x p ( ) ) 增加【9 。1 0 。为 了克服光纤损耗，在光纤链路中应周期性地插入光放大器，并将它的增益调整 为使放大器间的光纤损耗恰好被放大器增益所补偿。目前解决这一问题的方案 主要有两种：一种采用掺铒光纤放大器( e d f a ) 的集总放大；另一种是通过拉 曼放大提供的分布增益而采用的分布放大。 2 g o r d o n - h a u s 效应：采用光放大器可以补偿光纤损耗对光孤子传输的影 响，但不可避免地引入放大的白发辐射( a s e ) 噪声。孤子到达时间的a s e 所 导致的抖动被称为g o r d o n h a u s 定时抖动。1 9 8 6 年g o r d o n 和h a u s 利用守恒量 扰动方法研究了a s e 对光孤子通信系统的影响，指出a s e 将引起孤子的频率调 制，最终导致孤子中心位置的定时抖动 1 1 。1 9 8 8 年，m o l l e n a u c r 的实验证实 了这一点 1 2 。9 0 年代，已发展了几种控制定时抖动的技术，其中比较主要的 方法包括采用光滤波器和调制器来克服g o r d o n - h a u s 效应的限制。 山东大学硕士学位论文 i i 3 高阶色散和高阶非线性效应：当脉冲宽度瓦s5 p s 时，高阶非线性效应 和高阶色散效应将不可忽略，包括三阶色散、自陡峭效应、拉曼效应等。研究 表明 1 3 ：在零色散波长附近，三阶色散对群速度色散起主导作用，它引起色 散波，并在脉冲的一个沿引起非对称结构，对孤子互作用产生较大影响 1 4 。自 陡峭效应使孤子的中心比两翼传输得慢，导致脉冲峰值延迟，引起光孤子脉冲 的自塌陷现象。拉曼散射效应的影响则表现为对于脉宽小于l p s 入射脉冲高频 分量的能量不断通过拉曼增益转移到同一脉冲的低频分量，结果导致脉冲频谱 在传输的过程中红移，即孤子自频移现象 1 5 。 4 孤子之间的相互作用：随着单信道传输速率的不断提高，相邻光孤子之 间的时间间隔不断减小，相邻孤子之间的相互作用将影响孤子系统的性能，并 限制了光通信系统比特速率的提高。相邻孤子之间的相互作用包括信道间相互 作用和信道内相互作用，而信道内非线性相互作用更为突出，已成为影响高速 光通信系统性能的一个主要问题 1 6 ，1 7 。 5 偏振模色散( p m d ) ：随着光通信系统单信道速率的不断提高，偏振模 色散的影响日益突出，己成为发展下一代高速长距离光纤传输系统传输速率的 最终限制因素f 1 8 2 5 。由于p m d 在光纤传输过程中是不断累积的，并且随时问 和周围环境的影响随机变化，所以补偿起来十分困难。 1 。3 光孤子通信的研究进展及其前景 1 3 1 光孤子通信的研究进展| 4 , 5 , 2 6 】 光孤子通信的研究大致可以分为三个阶段： 第一阶段( 1 9 7 3 1 9 8 3 年) ：提出了光孤子传输的通信理论，大胆地预言了 在光纤的反常色散区光孤子的存在。早在1 8 3 4 年，英国海军工程师s r u s s e l l 沿 运河行走时便观察到“孤立波”现象【4 5 】。1 9 7 3 年，a h a s e g a w a 和f t a p p e r t 从理论上证明：在无损光纤介质中，光场包络满足非线性薛定谔方程，并且在反 常色散区存在亮孤子f 2 7 】，在正常色散区存在暗孤子【2 8 】- 随后于1 9 8 0 年， m o l l e n a u t e 等人在实验中观察到光孤子【2 9 】，并且1 9 8 8 年的一个实验【1 2 】证 实了光孤子在长距离传输中的潜力。拉开了光孤子通信理论和实验研究的序幕。 1 2 山东大学硕士学位论文 第二阶段( 1 9 8 4 1 9 9 3 ) ：成功研制了色心晶体孤子激光器、掺铒光纤放大 器( e d f a ) 、导频滤波器和滑频滤波器为光孤子通信的实用化铺平了道路，并 提出了平均孤子理论，发现了g o r d o n h a u s 极限。 第三阶段( 1 9 9 4 ) ：在这个阶段，半导体激光器和e d f a 在光孤子通信系 统中的成功应用使得光孤子通信开始走向实用化阶段，主要解决光孤子通信所用 元器件的实际问题，并使这些元器件逐步商用化。9 0 年代以来，日、美、英等 国相继出现了以半导体激光器作光源与泵浦源的实验系统，用掺铒光纤放大代替 喇曼放大，在实验和理论上取得了巨大的进展。 1 3 2 光孤子通信的发展前景 光孤子通信系统以其传输容量大，速度快，传输距离长等优点而得到人们的 普遍关注，成为各国研究的热点。经过数十年的研究，已建立了比较完整的光孤 子通信的理论体系，探索了各种实验系统方案和系统设计方法，解决了各种关键 技术，克服了光纤通信系统中光纤损耗、色散和非线性的限制。全光通信是光孤 子通信系统今后的发展方向。它不需要在光纤线路中插入电子器件，可以在高温 下工作。使光纤通信的潜力得以充分发挥。在下一代的高速长距离越洋光纤通信 和大容量城域网建设中，光孤子通信将是一种重要的选择方案。 1 。4 本文工作简介 以描述光脉冲在单模光纤中传输规律的非线性薛定谔方程( n l s ) 及其高阶 修正的非线性薛定谔方程( h o n l s ) 和耦合非线性薛定谔方程( c n l s ) 作为理 论模型，利用分步傅立叶算法数值研究了单模光纤中光孤子的传输特性和孤子脉 冲之间的相互作用，其中重点研究了脉冲内拉曼散射效应( i r s ) 和偏振模色散 ( p m d ) 对孤子脉冲传输的影响及其抑制问题。论文完成的主要工作如下： 1 光孤子脉冲的形成机制及其传输特性( 第二章) 光孤子是群速度色散( g v d ) 和自相位调制( s p 岣在一定条件下相互补偿形 成的一种特殊的包络脉冲，可以稳定无畸变地在光纤中传输。本章在入射光脉冲 的频谱宽度远小于其中心频率及慢变化包络近似的前提下，推导了描述单模光纤 中光脉冲传输的基本方程非线性薛定谔方程和高阶修正的非线性薛定谔方 山东大学硕士学位论文 i ii i i i 程，并利用数值方法对称分步傅立叶算法求解传输方程重点讨论了单模光纤 中光孤子脉冲的形成机制，分析了单模光纤中皮秒和飞秒光孤子传输的特性。 2 脉冲内拉曼散射效应影响下孤子间的相互作用及其抑制( 第三章) 当脉宽窄于5 p s 时，光纤传输介质的高阶非线性效应的影响将不可忽略，其 中脉冲内拉曼散射效应对超短脉冲的传输起着重要的作用和影响。利用数值仿真 的方法，本章首先在不考虑高阶非线性效应的情况下，从初始入射脉冲的相位差 和相对振幅两个角度考察了孤子脉冲之间相互作用的影响：然后详细讨论了在脉 冲内拉曼散射效应影响下，同相和反相相邻基态和高阶孤子脉冲之间的相互作 用，分析了孤子之间的相互作用对定时抖动的影响和脉冲内拉曼散射效应对孤子 频移的影响；最后，研究t n 用非线性增益对脉冲内拉曼散射效应影响下孤子之 间相互作用的控制问题。 3 双折射光纤中孤子脉冲间的相互作用( 第四章) 随着单信道传输速率的不断提高，相邻孤子之间的相互作用将限制光通信系 统的比特速率。尤其是在传输速率为4 0 g b s 及以上的光通信系统中，偏振模色 散( p m d ) 的影响使相邻孤子之间的相互作用变得十分复杂。本章首先介绍了 非线性双折射的起因和偏振模色散的基本概念：然后，推导了双折射光纤中光脉 冲传输的理论模型耦合非线性薛定谔方程( c n l s e ) ；最后，利用分步傅立 叶算法从时域角度模拟了光孤子的演化过程，从频域角度分析了频谱的变化，重 点研究了相邻孤子在同相和正交两种情况下，相对振幅、初始入射功率以及p m d 对相邻光孤子之间相互作用的影响。 4 偏振复用系统孤子脉冲间的相互作用( 第五章) 偏振复用技术是光纤双折射的一种重要应用，与普通的孤子相比，偏振复用 孤子能够有效地降低孤子间的相互作用，增大系统传输距离，并使系统信息容量 增加一倍。本章首先从理论上推导了分析偏振复用孤子系统的理论模型 m a n a k o v 方程；然后利用对称分步傅立叶算法，数值研究偏振复用系统中多个孤 子脉冲之间的相互作用。分析偏振复用孤子之间的相互作用对偏振复用孤子系统 定时抖动的影响；最后，针对这一问题提出了利用非线性增益来有效抑制偏振复 用系统中孤子之间相互作用的解决方案。 1 4 山东大学硕士学位论文 第二章光孤子脉冲的形成机制及其传输特性 光孤子的产生是群速度色散( g v d ) 和自相位调制( s p m ) 在一定条件下相互 补偿形成的一种特殊的包络脉冲，可以稳定无畸变的在光纤中传输【4 8 】。本章的 目的是通过推导，得到描述单模光纤中光脉冲传输的基本方程，并重点讨论光孤 子的形成机制和传输特性。第一节在入射光脉冲的频谱宽度远小于其中心频率及 慢变化包络近似的前提下，介绍在单模光纤中的基本传输方程非线性薛定谔 方程。第二节将在基本传输方程的基础上介绍高阶修正的非线性薛定谔方程。第 三节讨论利用数值方法对称分步傅立叶算法求解传输方程。第四节详细讨论 单模光纤中光孤子的形成机制。第五节分析了单模光纤中皮秒和飞秒光孤子脉冲 的传输特性。 2 1 光