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第八章光孤子通信光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达上万公里，甚至几万光纤通信的传输距离和传输速率受到光纤损耗和色散的限制。光纤放大器投入应用后，克服了损耗的限制，增加了传输距离。此时，光纤传输系统，尤其是传输速率在Gb/s以上的系统，光纤色散引起的脉冲展宽，对传输速率的限制，成为提高系统性能的主要障碍。为了增加传输距离，在光纤线路上，每隔一定的距离，可设置一个光纤放大器，以周期地补充光功率的损耗。但是多个光纤放大器产生的噪声累积又妨碍了传输距离的增加，因而要求提高传输信号的光功率，这样便产生非线性效应。非线性效应对光纤通信有害也有利，事实表明，克服其害还不如利用其利。光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子。8.1自相位调制(SPM)8.1.1克尔效应(n2效应)当投射到介质的光强增加时，介质的折射率将随之增大，这种现象称为克尔效应，它是由三阶非线性电极化系数引起的。由于这种效应，透明介质中的光速将与光强有关。8.1自相位调制(SPM)8.1自相位调制(SPM)(3)8.1自相位调制(SPM)8.1.2光纤中的自相位调制效应8.1自相位调制(SPM)8.1自相位调制(SPM)8.2光纤的非线性传输与孤子通信光纤中的非线性不仅能引起自相位调制，而且由此还会引出光孤立波，这在光电子学中是一个非常重要的现象。在数学和物理学中，广义的孤立波是指描述自然界中许多非线性现象的一类非线性方程的解。早在1850年人们就已发现了这种孤立波现象，此后几十年中，经过许多学者的深入研究，逐步对孤立波的性质有了清楚的认识，并把它看作粒子那样的波包，但把孤立波称为孤立子还是从七十年代开始的，这一名称的演变是由于孤立波碰撞前后不改变形状，并具有粒子那样的行为而引起的。现在孤立子在等粒子物理、高能电磁学、流体力学、非线性光学等方面获得了广泛的应用。对光纤孤立子及其在光通信中的研究也应运而生。众所周知，在线性光纤系统中，光纤色散是光信号在光纤中传输产生展宽与畸变的重要原因，它限制了光纤传输容量与传输距离。在非线性传输系统中，光纤色散用来抑制非线性波的陡变，在两者平衡时产生光孤子，形成保速保形的窄脉冲传输，可大大提高光纤系统的传输容量，因此光孤子通信具有迷人的诱惑力。光孤子在光纤中的存在已由实验证明，并已经验证了超长距离的高速光孤子传输实验。可以预言，光孤子通信将对光纤通信的发展产生重要影响。8.2光纤的非线性传输与孤子通信8.2.1光孤子的基本概念克尔效应使介质折射率随光强的变化而变化，并导致光脉冲的自相位调制。这种自相位调制是光孤子产生的主要机制，同对频带受限的脉冲产生频带加宽。这种频带加宽抵消了光纤色散引起的频带压缩，使得光脉冲以光孤子的形状稳定传输。8.2光纤的非线性传输与孤子通信8.2光纤的非线性传输与孤子通信8.2光纤的非线性传输与孤子通信8.2光纤的非线性传输与孤子通信8.2光纤的非线性传输与孤子通信脉冲的光强频率调制－15－10－50510－15－10－50510－250250.00.51.0时间/ps时间/ps频率/cm－1光强tt)(tntn如图所示，在脉冲上升部分，|E|2增加，0，得到Δω0，频率下移；在脉冲顶部，|E|2不变，=0，得到Δω=0，频率不变；在脉冲下降部分，|E|2减小，Δnt0，得到Δω0，频率上移。频移使脉冲频率改变分布，其前部(头)频率降低，后部(尾)频率升高。这种情况称脉冲已被线性调频，或称啁啾(Chirp)。脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应可被压缩或展宽正啁啾(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)下图给出光脉冲在反常色散光纤中传输时，由于非线性效应产生的啁啾被压缩或展宽。对反常色散光纤，群速度与光载波频率成正比，在脉冲中载频高的部分传播得快，而载频低的部分则传播得慢。对正常色散光纤，结论正相反。因此，具有正啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时，脉冲前部(头)频率低，传播得慢，而后部(尾)频率高，传播得快。这种脉冲形象地被称为“红头紫尾”光脉冲。在传播过程中，“紫”尾逐渐接近“红”头，因而脉冲被压缩，如图(a)。相反，具有负啁啾的光脉冲通过反常色散光纤时，前部(头)传播得快，后部(尾)传播得慢，“紫”头和“红”尾逐渐分离，结果脉冲被展宽，如图(b)所示。由此可见，适当选择相关参数，可以使光脉冲宽度保持不变。8.2.2光孤子通信系统的组成光孤子通信系统主要包括孤子源、调制器、EDFA、光纤传输系统以及信号源。8.2光纤的非线性传输与孤子通信孤子源调制脉冲源EDFA隔离器探测光纤传输系统EDFAEDFAEDFA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，将信号载于光孤子流上，承载的光孤子流经EDFA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他辅助装置,实现信号的还原。8.2光纤的非线性传输与孤子通信8.3光孤子通信的关键技术近年来，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相传输非常有利，它使孤子通信的梦想推进到实际开发阶段。光孤子在光纤中的传输过程需要解决如下问题：光纤损耗对光孤子传输的影响，光孤子之间的相互作用，高阶色散效应对光孤子传输的影响，以及单模光纤中的双折射现象等。由此需要涉及到的技术主要有：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。8.3光孤子通信的关键技术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、掺铒光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。8.3光孤子通信的关键技术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为光孤子源，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。理论和实验均巳证明，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。8.3光孤子通信的关键技术3．光孤子放大技术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。8.3光孤子通信的关键技术目前有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式光放大器的方法，即使用受激拉曼散射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。8.3光孤子通信的关键技术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。光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。8.3光孤子通信的关键技术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人信号，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10-2s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。8.3光孤子通信的关键技术8.4光孤子通信的优点全光式光孤子通信，是新一代超长距离、超高码速的光纤通信系统，更被公认为是光纤通信中最有发展前途、最具开拓性的前沿课题。比较光孤子通信和线性光纤通信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；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上都具有明显的优势，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。8.4光孤子通信的优点