单模光纤中光孤子传输特性的模拟研究文献综述

1、浙江工业大学理学院毕业论文（设计）文献综述学生姓名：张志杰 学号：专 业：设计（论文）题 目：单模光纤中光孤子传输特性模拟研究指导教师：张夕飞2014年3月10日1. 引言1966年英籍平人高锟（k. c. kao）博士和与同事何兑汉（g. a. hockham）联合发表丫一篇划 时代的论文光频率介质纤维表而波导1,在此论文屮他们提出利用带柯包层材料的石英玻 璃光学纤维作为通信介质的可能性。从此，光纤具奋的界景人、中继距离长、重景轻、抗千扰 能力强等诸多优点逐少被人类认识和利用，光纤通信得以长足发展。而高锟木人也为此获得诸多殊 采，被誉为“光纤通讯之父”，并干2009年获得诺w尔物理学奖。如今

2、，光纤通信已成为现代通信网 的葙本组成部分，它的演变和发展至今已经经历了四代。它们分别是0.85微米和1.3微米波段 的多模光纤的通信系统，1.3微米波段的单模光纤通信系统，1.55微米波段的单模光纤通信 系统，和采川光放人器來增加屮继距离和采川波分复川技术來提商传输速率的单模光纤通信 系统2。迅速发展的互联网、ik务迫使光纤通信系统的传输速率不断提高，似山于放大器带宽的限 制，要进一步加大wdnpp信道数比较困难，这就急需将单信道码速率提高到loogbit/s以至更高的 码速率。对于wogbit/s系统来说，由于码间距极小，光纤中色散及非线性效应带来的影响很大。可 见，现有的光纤通信系统的已

3、经逐渐不能满足人们对带宽和速率的要求，而俺用光孤了通信技 术的第五代光纤通信系统则足众望所归3 4。2. 光孤子的形成机理在光纤通信中，损耗和色散是限制传输距离和传输容量的主要原因。损耗使光脉冲在传 输吋峰值功率不断减低，而色散则使光脉冲在传输屮逐渐展宽，这两者都会影响通信系统的 性能。由于现代光纤制造技木已经使得光纤的损耗降低到接近理论的极限值，色散问题就成 为实现超长距离和超大容量光纤通信的主耍问题。另一方面，密集波分复川（dwdm）技术己成功地应川于光纤通信系统，并且极人地增加了光 纤中可传输信息的容量和传输速率。似随卷波分复川信道数的增加，光纤中功率密度也大幅增加。 在低光功率下，纤芯

4、的折射率可认为是常数。这时候的光纤通信是线性的。但在光功率密度 很大的情况下，光纤折射率成为光强的函数。虽然这种与光强相关的非线性折射率非常小， 但对光信号在光纤屮传播过程的影响却很明显，使得光信号的相位产生调制，引起自相位调 制（spm）、交叉相位调制（xpm）及四波混频（fwm）等效应i5j。光纤的这些非线性效应在光 的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化。如果不对这些非线性效应进行抑制或者 加以利用，光纤通信系统的性能就会受到限制。与光纤色散使光脉冲展宽相反，光纤中的自相位调制效应会使光脉冲产生压缩。在光纤 的反常色散区，自相位调制使光脉冲p沿的频率变商、传播速度变快；而使前沿的

5、频率变低、 传播速度变慢。这就造成脉冲p沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄。如果冇办法使 光脉冲变宽和变窄这两种效应好互相抵消，光脉冲就会像一个个孤立的粒子那样形成光孤 子，能在光纤传输中保持形状不变，从而实现超长距离的光孤子通信。光孤子脉冲很窄，因 而即使相邻光孤子间隔很小也不至于发生脉冲重脅或者干扰。正因为如此，利用光孤子进行 通信，其传输矜暈极人、码速极高6b3. 光孤子通信技术按文献3光孤子通信系统基本组成如下图所示。图1.光孤子通信系统基本组成由图所示光孤子源产生的光孤子流作为信息载体，利川光调制器将发送的信怠调制到光 孤孑流。被调制的光孤了流经掺铒光纤放大器（edfa）和光隔离

6、器后进入光纤进行传输。为 了补偿光脉冲在传输过程屮的能撒损失，维持非线性效应，以平衡色散效应，在光纤传输线 路上耑要周期地插入edfa,以保证脉冲的幅度和形状稳定不变。在接收端，通过光孤子解 调器和其它辅助装置将信号还原。在实际应用当屮，相邻孤子之间的ffl互作用、放大器的噪声以及光纤的衰减等因素都会影响光 孤了的传输特性，限制光孤了的实际应用。为解决这些问题，由此涉及到的技术主要冇7:1，适合光孤了传输的光纤技术。这方而的技术极该包括两个方面，一是如何利用现柯光纤进行 光孤子传输，二是研发适合光孤子传输的新型光纤。研究特定光纤参数条件卜"光孤子传输的有效距 离，山此确定能量补充的中

7、继距离，这样的研究不促为光孤子通信系统的设计提供数裾，而且通常 导致新型光纤的产生。2, 光孤了源技术。孤了源技术是超高速光孤了通信的关键。要想光孤了在光纤中稳定地传输, 光孤了源输ill的光脉冲包络须为严格的双曲正割形，且振幅满足一定条件。但r前的光孤了通信试 验系统大多采用体积小、重s频率高的增益开关dfb半导体激光器或锁模半导体激光器作光孤了 源。它们的输出光脉冲是高斯形的，且功率较小，但经光纤放大器放大后，可获得足以形成光孤了 传输的峰值功率。高斯光脉冲在色散光纤中传输时，由于非线性im相位调制与色散效应共同作用， 光脉冲中心部分可逐渐演化为双曲正割形。3, 光孤了放大技术。光放大被认

8、为是全光孤了通信的核心问题。光孤了在光纤的传播过程中， 由于损耗令其峰值功率不断减小，减弱了补偿光纤色散的非线性效应，导致孤子脉冲展宽，限制了 传输距离，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。有w种补偿孤？能量的方法，一种是采 川分布式的光放人器的a法，另一种足集总的光放人器法。即采川掺餌光纤放人器或半导体激光放大器。其中集总放大方法是通过掺餌光纤放大器实现的，其稳定性已得到理论和试验的证明，成为 当前孤子通信的主要放大方法。4, 光孤子开关技术。随着全光网的快速发展，设计全光开关变得尤为$要。光孤子全光开关利 用光孤子间的ffl互作用来实现光的“开”和“关”的控制，它a有速度快（达10*

9、12sfi级），转换率 高（达100%），误码率低，以及开关过程中光孤t的形状不发生改变等优点，所以吸引很多科研人 员参与研究。4. 光孤子通信的研究现状和应用前景应用的密集波分用技木，逐渐不能满足带宽、速率的要求。光孤了通信具冇的超k距离、超 大容s、超岛速率等诸多的优点，使k成为在未来超高速k距离跨海洋光纤通信系统和城市大 容fi通信网的建立中的一个首选通信方式，并促使国际国a研究机构致力研究，将其向商业化推 进。目前对孤子通信技术研究主要集中在以下儿个方面：一是进行光孤了传输实验研究。欧、美等发达国家都建立y光孤了回路试验系统来实现超长距 离光孤了传输，并积极研究利用城际现已铺设的光纤网

10、络进行传输实验。如意人利matera等人利用 从罗马到波梅齐亚通信丁线的色散位移光纤进行40gbit/s单信道光孤子通信，无误码传送达500kmo 而h本也不廿落后，如早在1995年h本ntt通倍公司就利川东京都市光纤m进行了 20gbit/s光孤 子通信实验8，酋次实现了室外光孤子无误码传输传输距离达到2000千米以上。在后续的实验中 ntt的soham等人则利用东京都市光纤m进行了 40gbit/s光孤了通信实验，使5ps孤了无误码传输 距离超过1000km。二是进行色散管理孤了方面的研究。在光孤了实际传输过程中，存在很多扰动。这些扰动会致使 孤了变形，从而降低孤了系统的通信容s。色散管理

11、孤了（dms）传输系统就是为/解决上述问题而 提出的一种孤了传输技术，它利用正、负色散光纤交替连接组成光纤线路来传输孤了脉冲。美、u 和印度等国科学家对此进行了大s研究。色散管理孤了还可以在不增加附属设备的情况下对现冇光 纤通信系统进行升级，是光孤了通信系统发展的一个方向。在2012年迕icrcc国际会议上，来自 印度的科研人员报道了利用色散管理孤了传输54000千米的回路实验10,充分展示了色散管理孤了 在长距离高速率光纤通信屮的应川前景。三足进行光孤子复川系统研究。与线性通信系统一样，光孤子通信系统适川波分复川、偏振s 川和吋分复川技术。在光孤子通信研究屮，科研人员在增加单信道码速率研究的

12、同吋也注意进行孤 了波分fi用研究。采用波分fi用技术使光孤了在光纤中以两个或两个以上个信道同时传输，可使光 孤了传输的冇效速率提高数倍，讧至能达到tbit/s数s级。如ofc报道2003年u木研究人员利用 现冇光纤，采用波分s用技术，完成了 63x40gbs信号成功传输320千米的实验11。四是进行光孤了相关器件的研究，如光孤了激光器，光孤了放大器，光孤子开关等。jt中，孤 了源是光孤了通信的关键，所以研究也较多。现阶段研发的光孤了源种类繁多，冇拉曼孤了激光器、 掺饵光纤孤了激光器、增益开关半导体孤了激光器和锁模半导体孤了激光器等。裾报道，2012年美 国科罗拉多火学和斯坦福人学的研究人员研

13、制出58fs的掺铥光纤孤了激光器12，裾称这足现阶段 孤子激光器产生的蝻短脉冲。我国对于光孤子通信的研究起步比较晚，始于上世纪80年代初，侃也取得了一些可喜的成果。 比如，我国863计划屮就奋关于光孤子通信的项0。2004年，我国酋次实现了过5000千氷以上无 光电转换设备的全光孤子传输。所冇这些都充分说明了光孤了通信的可行性及其巨大的应用前景。我们可以预测未来10年，光 孤子技术将会继续快速发展。在传输速度方面我们期待利用超短脉冲产生和控制技术使传输速率提 高到1 tbit/s以上，并乱期待有新的孤子源的川现；在培大传输距离方面我们期持利用重定吋、整形、 再生技术、减少ase和光学滤波等技术

14、使传输距离提高到10万千米以上；光孤子放大方面，我们 期待获得低噪声高输lli的高性能edfa。当然，实际的光孤子通信仍然存在许多技术的难题，但r 前己取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长距离、高速、人界景的全光通信屮，尤w在 海底光通信系统屮，有着光明的发展前景。3.参考文献1 kao.k.c.; hockham,g.a. dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies，electricalengineersfjk 1966,113(7): 1151-11582 ramaswanii, r. optical fi

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