光孤子通信

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　　光孤子通信是一种全光非线性通信方案，是光纤折射率的非线性(自相位调制)效应导致对光脉冲的压缩可以与群色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件(光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大)下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输．它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出1—2个数量级，中继距离可达几百千米，它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。

　　光孤子通信和线性光纤通信比较有一系列显著的优点：

　　1)传输容量比最好的线性通信系统大1～2个数量级。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10～100倍，极大地提高了传输容量和传输距离，尤其是当光速度超过lOGbit／s时，光孤子传输系统显示出明显的优势。

　　2)可以进行全光中继。由于孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化为一个绝热放大过程，大大简化了中继设备，高效、简便、经济。光孤子通信和线性光纤通信比，无论在技术上还是在经济都具有明显的优势，光孤子通信在高保真度、长距离传输方面，优于光强度调制／直接检测方式和相干光通信。

　　3)光孤子通信系统从根本上改进了耦合损耗和兼容问题。光孤子通信系统不但容量大、频带宽、增益高，更可贵的是它能够从根本上改进现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗和兼容问题。

　　4)光孤子通信系统解决了高温自动控制和测量。光孤子通信系统由于没有使用电子元件，可以在很高的温度下工作，甚至是1000度的高温。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。

　　1.适合光孤子传输的光纤技术

　　研究光孤子通信系统的一项重要任务就是评价光孤子沿光纤传输的演化情况。研究特定光纤参数条件下光孤子传输的有效距离，由此确定能量补充的中继距离，这样的研究不但为光孤子通信系统的设计提供数据，而且通常导致新型光纤的产生。

　　2.光孤子源技术

　　光孤子源是实现超高速光孤子通信的关键。根据理论分析，只有当输出的光脉冲为严格的双曲正割形，且振幅满足一定条件时，光孤子才能在光纤中稳定地传输，目前，研究和开发的光孤子源种类繁多，有拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺饵光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。现在的光孤子通信试验系统大多采用体积小、重复频率高的增益开关DFB半导体激光器或锁模半导体激光器作光孤子源。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子传输的峰值功率。理论和验均已证明光孤子传输对波形要求并不严格。高斯光脉冲在色散光纤中传输时，由于非线性自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.光孤子放大技术

　　光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。近年来，光孤子通信取得了突破性进展。光纤放大器的应用对孤子放大和传输非常有利，它使孤子通信的梦想推进到实际开发阶段。全光孤子放大器对光信号可以直接放大，避免了目前光通信系统中光／电、电／光的转换模式。它既可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器，是光孤子通信系统极为重要的器件。实际上，光孤子在光纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗。不过光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布，的光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器：另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器。利用受激拉曼散射效应的光放大器是一种典型的分布式光放大器。其优点是光纤自身成为放大介质，然而石英光纤中的受激拉曼散射增益系数相当小，这意味着需要高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散射的泵浦源，此外，这种放大器还存在着一定的噪声。集总放大方法是通过掺铒光纤放大器实现的，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。如EDFA掺铒光纤放大器，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要消耗孤子能量，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，但只要通过EDFA掺铒光纤放大器给孤子补充能量，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30～5Okm加一个EDFA，是一种集总式能量补充方式。

　　4.光孤子开关技术

　　在设计全光开关时，采用光孤子脉冲作输入信号可使整个设计达到优化，光孤子开关的最大特点是开关速度快(达lO~2s量级)，开关转换率高达100％，开关过程中光孤子的形状不发生改变，选择性能好。

　　5.光孤子消除色散技术

　　众所周知，在光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“色散”。“损耗”使光信号在传输时能量不断减弱；光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真，这就是“色散”。现在随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。

　　如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，就能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信。光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性(自相位调制)效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件(光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大)下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，利用光孤子进行通信，中继距离可达几百公里。从光孤子传输理论分析，光孤子是理想的光脉冲，因为它很窄，其脉冲宽度在皮秒级(ps)。这样，就可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生脉冲重叠，产生干扰。

　　6.光孤子预加重技术

　　在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。