光孤子通信

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　　光孤子通信是一種全光非線性通信方案，是光纖折射率的非線性(自相位調製)效應導致對光脈衝的壓縮可以與群色散引起的光脈衝展寬相平衡，在一定條件(光纖的反常色散區及脈衝光功率密度足夠大)下，光孤子能夠長距離不變形地在光纖中傳輸．它完全擺脫了光纖色散對傳輸速率和通信容量的限制，其傳輸容量比當今最好的通信系統高出1—2個數量級，中繼距離可達幾百千米，它被認為是下一代最有發展前途的傳輸方式之一。

　　光孤子通信和線性光纖通信比較有一系列顯著的優點：

　　1)傳輸容量比最好的線性通信系統大1～2個數量級。光孤子通信剋服了色散的制約，當光強度足夠大時會使光脈衝變窄，脈衝寬度不到一個ps，可使光纖的帶寬增加10～100倍，極大地提高了傳輸容量和傳輸距離，尤其是當光速度超過lOGbit／s時，光孤子傳輸系統顯示出明顯的優勢。

　　2)可以進行全光中繼。由於孤子脈衝的特殊性質使中繼過程簡化為一個絕熱放大過程，大大簡化了中繼設備，高效、簡便、經濟。光孤子通信和線性光纖通信比，無論在技術上還是在經濟都具有明顯的優勢，光孤子通信在高保真度、長距離傳輸方面，優於光強度調製／直接檢測方式和相干光通信。

　　3)光孤子通信系統從根本上改進了耦合損耗和兼容問題。光孤子通信系統不但容量大、頻帶寬、增益高，更可貴的是它能夠從根本上改進現有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來的損耗和兼容問題。

　　4)光孤子通信系統解決了高溫自動控制和測量。光孤子通信系統由於沒有使用電子元件，可以在很高的溫度下工作，甚至是1000度的高溫。這對高溫條件下的自動控制或測量具有劃時代的意義，為人類提供了新的理想的傳輸系統，意義重大。

　　1.適合光孤子傳輸的光纖技術

　　研究光孤子通信系統的一項重要任務就是評價光孤子沿光纖傳輸的演化情況。研究特定光纖參數條件下光孤子傳輸的有效距離，由此確定能量補充的中繼距離，這樣的研究不但為光孤子通信系統的設計提供數據，而且通常導致新型光纖的產生。

　　2.光孤子源技術

　　光孤子源是實現超高速光孤子通信的關鍵。根據理論分析，只有當輸出的光脈衝為嚴格的雙曲正割形，且振幅滿足一定條件時，光孤子才能在光纖中穩定地傳輸，目前，研究和開發的光孤子源種類繁多，有拉曼孤子激光器、參量孤子激光器、摻餌光纖孤子激光器、增益開關半導體孤子激光器和鎖模半導體孤子激光器等。現在的光孤子通信試驗系統大多採用體積小、重覆頻率高的增益開關DFB半導體激光器或鎖模半導體激光器作光孤子源。它們的輸出光脈衝是高斯形的，且功率較小，但經光纖放大器放大後，可獲得足以形成光孤子傳輸的峰值功率。理論和驗均已證明光孤子傳輸對波形要求並不嚴格。高斯光脈衝在色散光纖中傳輸時，由於非線性自相位調製與色散效應共同作用，光脈衝中心部分可逐漸演化為雙曲正割形。

　　3.光孤子放大技術

　　光放大被認為是全光孤子通信的核心問題。近年來，光孤子通信取得了突破性進展。光纖放大器的應用對孤子放大和傳輸非常有利，它使孤子通信的夢想推進到實際開發階段。全光孤子放大器對光信號可以直接放大，避免了目前光通信系統中光／電、電／光的轉換模式。它既可作為光端機的前置放大器，又可作為全光中繼器，是光孤子通信系統極為重要的器件。實際上，光孤子在光纖的傳播過程中，不可避免地存在著損耗。不過光纖的損耗只降低孤子的脈衝幅度，並不改變孤子的形狀，因此，補償這些損耗成為光孤子傳輸的關鍵技術之一。目前有兩種補償孤子能量的方法，一種是採用分佈，的光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分佈的摻鉺光纖放大器：另一種是集總的光放大器法，即採用摻鉺光纖放大器或半導體激光放大器。利用受激拉曼散射效應的光放大器是一種典型的分散式光放大器。其優點是光纖自身成為放大介質，然而石英光纖中的受激拉曼散射增益繫數相當小，這意味著需要高功率的激光器作為光纖中產生受激拉曼散射的泵浦源，此外，這種放大器還存在著一定的雜訊。集總放大方法是通過摻鉺光纖放大器實現的，其穩定性已得到理論和試驗的證明，成為當前孤子通信的主要放大方法。如EDFA摻鉺光纖放大器，光孤子在使用EDFA的系統中能穩定傳輸的特性是光孤子通信能實用的一個關鍵。因為光纖的損耗不可避免要消耗孤子能量，當能量不滿足孤子形成的條件時，脈衝喪失孤子特性而展寬，但只要通過EDFA摻鉺光纖放大器給孤子補充能量，孤子即自動整形。利用孤子這一特性，可進行全光中繼，不再需要像常規光纖通信系統那樣在中繼站進行光電光的轉換，實現了全光傳輸，一般每30～5Okm加一個EDFA，是一種集總式能量補充方式。

　　4.光孤子開關技術

　　在設計全光開關時，採用光孤子脈衝作輸入信號可使整個設計達到優化，光孤子開關的最大特點是開關速度快(達lO~2s量級)，開關轉換率高達100％，開關過程中光孤子的形狀不發生改變，選擇性能好。

　　5.光孤子消除色散技術

　　眾所周知，在光纖通信中，限制傳輸距離和傳輸容量的主要原因是“損耗”和“色散”。“損耗”使光信號在傳輸時能量不斷減弱；光纖的色散使得不同頻率的光波以不同的速度傳播，這樣，同時出發的光脈衝，由於頻率不同，傳輸速度就不同，到達終點的時間也就不同，這便形成脈衝展寬，使得信號畸變失真，這就是“色散”。現在隨著光纖製造技術的發展，光纖的損耗已經降低到接近理論極限值的程度，色散問題就成為實現超長距離和超大容量光纖通信的主要問題。

　　如果有辦法使光脈衝變寬和變窄這兩種效應正好互相抵消，光脈衝就會像一個一個孤立的粒子那樣形成光孤子，就能在光纖傳輸中保持不變，實現超長距離、超大容量的通信。光孤子通信是一種全光非線性通信方案，其基本原理是光纖折射率的非線性(自相位調製)效應導致對光脈衝的壓縮可以與群速色散引起的光脈衝展寬相平衡，在一定條件(光纖的反常色散區及脈衝光功率密度足夠大)下，光孤子能夠長距離不變形地在光纖中傳輸。它完全擺脫了光纖色散對傳輸速率和通信容量的限制，利用光孤子進行通信，中繼距離可達幾百公裡。從光孤子傳輸理論分析，光孤子是理想的光脈衝，因為它很窄，其脈衝寬度在皮秒級(ps)。這樣，就可使鄰近光脈衝間隔很小而不至於發生脈衝重疊，產生干擾。

　　6.光孤子預加重技術

　　在集總式能量補充系統中，即使光纖的色散有抖動，這種孤子也是穩定的。在放大器的間距與孤子的特征長度可比擬時，如果使進入光纖的脈衝峰值功率大於基態孤子所要求的峰值功率，則所形成的孤子也能長距離穩定傳輸，這種技術通常被稱為預加重技術，也稱為動態光孤子通信。