1、 第三讲 光孤子通信技术光纤通信新技术光孤子通信光孤子通信l孤立波l1834年，英国科学家罗素（Russell)首次提出了孤立波的概念。l孤立波实际上是某些非线性偏微分方程的一类特解，它是一种在传输过程中形状和速度均保持不变的脉冲波。l孤立波在相互碰撞后仍保持各自原来的形状和速度，好像是些粒子，所以也称为孤立子（soliton)。l孤立波解往往与非线性色散波方程相联系，它反映了自然界一种相当普遍的非线性现象。光孤子通信光孤子通信l光孤子l1973年首先由Hasegawa（长谷川）提出；1980年Mollenaner在实验上首次证实了光纤中光孤子的存在。l所谓光孤子光孤子是经过光纤长距离传输后，
2、其幅度和宽度都不变的超短光脉冲。l光孤子与一般的光脉冲不同，它的脉冲宽度极窄，而其功率又非常大。l光孤子在传输过程中脉冲不会改变形状，或者会周期性地改变形状；前者称为基态孤子，后者称为高阶孤子。光孤子通信光孤子通信l光孤子的形成l在光纤中传输高功率窄脉冲光信号时，由于非线性效应(自相位调制SPM)和色散效应(群速度色散GVD)的相互抵消作用，可产生光孤子。光孤子通信光孤子通信lSPM引起的啁啾（脉冲被线性调频）)(2)()()(2)(220tntLttttnLtEnnn色散引起的脉冲展宽色散引起的脉冲展宽022)(cddddddD正常色散区 反常色散区光脉冲在反常色散光纤中的传输光脉冲在反常色
3、散光纤中的传输l对反常色散光纤，群速度与光波载频成正比。l具有正啁啾（红头紫尾）的光脉冲通过反常色散光纤时，脉冲被压缩。l具有负啁啾（紫头红尾）的光脉冲通过反常色散光纤时，脉冲则被展宽。正 啁 啾(红 头 紫 尾)负 啁 啾(紫 头 红 尾)后 沿(尾)前 沿(头)反 常 色 散(红 慢 紫 快)反 常 色 散(红 慢 紫 快)压 缩展 宽(a)(b)光孤子通信光孤子通信l光孤子的形成 考虑到非线性效应，传输常数可展为以下级数：适当选择相关参数，可使光纤色散和非线性效应相互抵消，因 而输入脉冲宽度保持不变，形成稳定的光孤子。PP2200000)(21)(),，（与色散有关与色散有关与非线性效应
4、有关与非线性效应有关光孤子的传输特性光孤子的传输特性1.光强很低时（N1），脉冲主要表现 出光纤的色散效应，不存在光孤子。2.当N=1时，对应于一阶光孤子，非线 性正好抵消了由于光纤色散引起的展宽效应，结果在光纤没有损耗的情况下，脉冲沿光纤传输时波形保持不变。光孤子的传输特性光孤子的传输特性3.当N1时，产生高阶光孤子（N阶），脉冲形状在传输过程中显示出周期性的变化。光孤子通信系统的组成光孤子通信系统的组成l孤子源：掺饵光纤孤子激光器、锁模半导体激光器l输出功率较大，脉冲很窄（ps量级）的变换限制双曲正割或高斯型超短脉冲串。l孤子能量补偿放大器：EDFAl光强度下降到一定值时光强度下降到一定值
5、时,非线性效应减弱非线性效应减弱,影响孤子形状影响孤子形状.l光纤传输系统：孤子传输光纤，孤子脉冲信号检测接收单元。图 7.37 光孤子通信系统和实验系统(a)光孤子通信系统构成方框图；(b)循环光纤间接光孤子实验系统图 孤子源调制脉冲源EDFA隔离器探测光纤传输系统EDFAEDFAEDFA(a)EDFA光纤EDFA光纤EDFA光纤光隔离器调制器锁模激光器EDFA光隔离器1 dB耦合器微波频谱分析仪(b)25 km25 km25 km光孤子通信系统的容量光孤子通信系统的容量系统传输速率（Gbps）传输距离（km）光纤线路直接实验系统10100020350循环光纤间接实验系统2.412000改进
6、实验系统101000，000光孤子通信的优越性光孤子通信的优越性 l光孤子通信克服了色散的制约，适用于超长距离、超大容量通信系统。l容量大、频带宽、增益高，可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。l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。事实上事实上,对于单信道系统来说对于单信道系统来说,光孤子系统性能不如零色散波长的光孤子系统性能不如零色散波长的常规系统常规系统,但由于可用于但由于可用于DWDM 系统系统,因此具有更广阔的应用前景因此具有更广阔的应用前景.与普通光纤通信系统不同的技术问题与普通光纤通信系统不同的技术问题 lEDFA（掺饵
7、光纤放大器）l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失孤子特性而展宽，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，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。与普通光纤通信系统不同的技术问题与普通光纤通信系统不同的技术问题l预加重技术 l预加重技术，也称为动态光孤子通信。在放大器的间距与孤子的特征长度可比拟
8、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。与普通光纤通信系统不同的技术问题与普通光纤通信系统不同的技术问题l抑制戈登-豪斯效应l所谓戈登-豪斯效应是一种抖动。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，进而引起孤子到达接收端的抖动，即戈登-豪斯效应。这一效应会限制孤子传输系统的容量(3104Gbitkm），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抑制戈登一豪斯效应。与普通光纤通信系统不同的技术问题与
9、普通光纤通信系统不同的技术问题l光孤子复用l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动态国内外光孤子通信走向动态 l光孤子通信研究的三个阶段 l19731980年为第一阶段：美国贝尔实验室的A.Hasegawa 于1973年提出将光孤子应用于光通信的设想，至1980年Mollenaner在实验上首次证实了光纤中光孤子的存在。l19811990年为第二阶段：主要工作是关键部件的研制，第一支色心锁模孤子激光器CCL，揭开了实验研究的序幕。l1991年现在为第三阶段：主要工
10、作是建立实验系统并向实际应用迈进。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。l科学家认为，本世纪初，全光通信将走向实用化。光孤子通信在美国和日本的实用化进程光孤子通信在美国和日本的实用化进程 l美国贝尔实验室Mollenaner研究小组的实验系统是世界上最早的光孤子实验系统。l1995年，在日本东京地区的光纤局域网上，NTT公司首次实现了10Gbit/s、2000km的光孤子现场直通测试，从而将实验室内的实验转升为现场实验，为实用化进程迈出了十分重要的一步。l美国贝尔实验室已成功地将激光脉冲信号传输了5920km，还利用光纤环实现了5Gbit/s
11、、传偷15000km的单信道孤子通信系统和传输11000km总码速达到10Gbit/s的双信道波分复用孤子通信系统；美国光谱物理公司已制成能产生410-13s的孤立波脉冲信号器件。l日本利用普通光缆线路成功地进行了超高20Tbit/s、远距离1000km孤立波通信；日本电报电话公司在1992年推出速率为10Gbit/s、能传输12000km的直通光孤子通信实验系统。光孤子通信在中国光孤子通信在中国 l1994年掺饵光纤放大器在武汉通过鉴定。l使2.488Gbit/s系统具有跨越100250km无中继距离的能力。l1999年“863”研究项目“OTDM光孤子通信关键技术研究”通过了专家验收。l采
12、用色散补偿光纤对光脉冲进行压缩；l采用2.5Gbit/s20Gbit/s的光信号复用；l从20Gbit/s的复用系统中提取2.5Gbit/s电时钟；l采用非线性光学环路实现2.5Gbits20Gbits的解复用；l采用啁啾光栅对20Gbits信号在标准单模光纤中传输105km后造成的色散进行补偿。l研制2.5Gbits锦酸钾强度调制发送单元；l成功地进行了20Gbit/s、105km的光纤传输。光孤子通信展望光孤子通信展望实用光孤子通信面临的困难实用光孤子通信面临的困难l认识上的分歧l光孤子通信在工程和商业上的应用价值是一个存在争议的一个论题，有些争议可归咎于光孤子通信理论研究初期对这种通信方案的过分夸张，可是实际上并没有如此理想和特殊的魔力；更主要的是由于EDFA的问世并走向国际光通信市场，在宽带EDFA通道内采用全光线性WDM技术同样可以实现高速长距离通信(最高已达40GbPs)。尽管如此，以法国新兴的Algety电信公司为代表的一方仍确信对40GbPs和更高的传输速率确实需要采用光孤子技术。l理论和技术上的不完善l目前，在光孤子理论的许多方面仍很不深入。如孤子的碰撞、裂变及散射、半导体掺杂光纤及各种饱和光纤中的孤子传输问题等；在技术上也有一些问题需要进一步研究解决，例如光孤子通信的码型与目前ATM、SDH、路由器等网络设备不一致，从而产生互操作的问题。
