光孤子通信于彦波

1、光孤子通信光孤子通信研电1412于彦波简 介 在光纤通信中，光纤固有的色散和损耗制约了传输速率的提高和传输距离的增加。随着光纤通信领域中其他相关技术不断取得进展，色散问题成为高速光纤数字通信领域需要解决的主要问题之一。目前正在探索的一种解决思路是利用光孤子原理实现长距离通信。 孤子的概念是由英国科学家约翰斯科特罗素于1844年提出的。1895年，卡维特等人做了进一步研究揭示了更深层的内涵。 从物理学观点来看，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物；从数学角度来看，是某些非线性偏微分方程的一类稳定的，能量有限的不弥散的解。即孤子是指能始终保持其波形和速度不变，像粒子那样的孤立的波包，具有在互相碰撞后

2、，仍能保持各自的形状和速度的特性。这种现象出现在光中就成为光孤子。光孤子通信利用这种光的孤子特性进行通信，可以实现长距离，无畸变的电磁波传输，即使两波互相碰撞也可以彼此保持相对独立和互不影响，因此受到通信领域越来越多的关注。光孤子的形成 光纤中存在色散效应和自相位调制是在光纤中形成光孤子的基础。色散指不同频率成分的信号在光纤中传播有不同的速度和时延，因而脉冲通过光纤后，波形在时间上发生了展宽。自相位调制是指强光场作用下，光纤的折射率出现非线性，使所传光脉冲的前后沿相位相对漂移，导致光脉冲频谱的变化。以上两种共同效应共同作用就会产生光孤子。 光纤非线性效应使传输中的光脉冲后沿比脉冲前沿运动得快，

3、其结果是使脉冲缩窄。单模光纤的色散效应会使光纤中的光脉冲波形展宽。如果脉冲的压缩和展宽的作用相平衡，传输过程中就不会产生畸变，而且传输速度不变，并保持一个一个的孤立的脉冲波形，从而形成孤子波，实现光信号在光纤中的大容量和超长距离传输。而以光纤为传输媒介，将信息调制到孤子上进行通信的系统则称作光孤子传输系统。光孤子通信系统的组成 光孤子通信系统基本组成 图中的孤子源并非严格意义上的孤子激光器，只是一种类似孤子的超短光脉冲源，它产生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲，这种超短光脉冲，在光纤中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。电信号脉冲源通过调制器将信号加载在光孤子流上，承载的光孤子流经EDF

4、A放大后进入光纤传输。沿途需增加若干个光放大器，以补偿光脉冲的能量损失。同时需平衡非线性效应与色散效应，最终保证脉冲的幅度与形状稳定不变。在接收端通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其它辅助装置实现信号的还原。 图中 Tx 为光孤子发送端, SS 为光孤子源 , Mod 为光调制器 ,BA 为功率放大器 ,ISO 为隔离器 ,STF 为孤子传输光纤, LA 为线路放大器 , TCS 为光孤子传输控制装置 ,PA 为前置放大器, Rx 为光孤子接收终端。光隔离器( ISO) 是一种利用法拉第旋光效应制成的只允许光单向传输的器件, 用以阻挡反向光对系统性能造成干扰 。光孤子传输控制装置由导频滤波器

5、 、 强度或相位光调制器 、 非线性元件和色散补偿光纤等构成, 设置在沿传输系统不同的区段, 用于清除或降低 ASE 噪声 、相邻孤子相互作用与各种高阶扰动对孤子通信系统通信容量的限制, 提高孤子传输特性的稳定性。光孤子通信的优越性n(1)光孤子通信克服了色散的制约，当光强度足够大时会使光脉冲变窄，脉冲宽度不到一个ps，可使光纤的带宽增加10100倍，极大的提高了传输容量和传输距离，尤其是当光速度超过10Gbits时，光孤子传输系统显示出明显的优势。光孤子通信作为新一代光纤通信系统在洲际陆地通信和跨洋通信等超长距离、超大容量通信系统中大显身手。 n(2)光孤子通信系统不但容量大、频带宽、增益高

6、，更可贵的是从根本上改变现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗接口不方便，是一场光纤通信的革命。n(3)光孤子通信系统由于没有使用电子元件，可以工作在很高的温度下工作，甚至是1000的高温。这对高温条件下的自动控制或测量具有划时代的意义，为人类提供了新的理想的传输系统，意义重大。 与普通光纤通信系统不同的技术问题(1)EDFA（掺饵光纤放大器） 光孤子在使用EDFA的系统中能稳定传输的特性是光孤子通信能实用的一个关键。因为光纤的损耗不可避免的消耗孤子能量，当能量不满足孤子形成的条件时，脉冲丧失孤子特性而展宽，但需要通过EDFA给孤子补充能量，孤子即自动整形。利用孤子这一特性，可进行全光中继

7、，不再需要像常规光纤通信系统那样在中继站进行光-电-光的转换，实现了全光传输，一般每3050km加一个EDFA，是一种集总式能量补充方式。 (2)预加重技术 预加重技术，也称为动态光孤子通信。在上述集总式能量补充系统中，即使光纤的色散有抖动，这种孤子也是稳定的。在放大器的间距与孤子的特征长度可比拟时，如果使进入光纤的脉冲峰值功率大于基态孤子所要求的峰值功率，则所形成的孤子也能长距离稳定传输，这种技术通常被称为预加重技术，也称为动态光孤子通信。(3)抑制戈登-豪斯效应 所谓戈登-豪斯效应是一种抖动。采用放大器的自发辐射噪声，是一种不可避免的热噪声，它与孤子相互作用后，造成孤子中心频率的随机抖动，

8、进而引起孤子到达接收端的抖动，即戈登-豪斯效应。这一效应是限制孤子传输系统的容量，是放大器间隔等系统指标的重要因素。解决的办法是在放大器后加一个带通滤波器即能较好的戈登一豪斯效应。(4)光孤子复用 光孤子也可实现波分复用，即利用不同波长的光孤子在同一光纤中传输。也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输，即偏振复用，进一步提高传输质量和容量。国内外光孤子通信走向实用的动态n(1)19731980年为第一阶段：首先将光孤子应用于光通信的设想是由美国贝尔实验室的A.Hasegawa于1973年提出的，他经过严格的数学推导，大胆地预言了在光纤地负色散区可以观察到光孤子的存在，并率先开辟了这一领域的

9、研究工作，拉开了这一阶段以理论研究的序幕。 n(2)19811990年为第二阶段：主要工作是关键部件的研制。自从70年代初提出光孤子的概念以来，由于以后的十多年未能有效地观察到光孤子的存在，直到1983年，美国贝尔实验室的Mollenauer研究小组首次研制成功了第一支色心锁模孤子激光器CCL，从而揭开了实验研究的序幕。n(3)1991年一现在为第三阶段：主要工作是建立实验系统并向实际应用迈进。在这阶段，半导体激光器和EDFA在光孤子通信试验系统中的成功应用，拉开了光孤子通信走向实用化的序幕。科学家认为，本世纪初，全光通信将走向实用化。光孤子通信的研究方向 在未来光孤子通信研究中，其努力的焦点集中于如下方面：(1)在ps（ 10-12s ）级光孤子通信实用化基础上研究和开发多波长fs（ 10-15s ）级光孤子通信，以进一步提高传输码速率和传输距离，其期望速率不小于100Gbit/s，直通距离不小于104km。(2)除泵浦光源仍采用半导体激光器外，其余功能元件均采用光纤制作的全光纤孤子通信系统。在现有基础上将进一步研究和开发光纤孤子激光器，光孤子开关和光孤子逻辑等。(3)研究1.3um波长的光孤子通信，利用1.3um窗口正色散区比负色散区大的特点。(4)利用高阶光孤子实现多值传输。参考文