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光孤子在光纤通信的应用学院：电气工程学院专业：通信1202班摘要：光纤通信系统不断地发展，光孤子通信即将被使用在其中，这是新技术的一场革命。论文即将涉及光纤通信的发展过程，并对光孤子关键技术的原理及其动态和发展进行论述。使我们进一步了解光孤子在光纤通信的应用。关键词：光孤子；光纤通信1引言光纤通信应用越来越广泛，慢慢在有线网络的各个领域都有涉及，成为了通信网络发展的大趋势。当前的光纤网络具有很多的优点，通信容量大，远距离传输损耗低，传输质量好，抗电磁干扰等等优点，我相信，全光网络很快即将到来。信息传递会更方便。在未来，我们的通信技术会更加完善。我们所学习的光纤通信是经过漫长的发展才形成，从最初的烽火台传递信息，到近代19世纪Bell发明了最初的光电话，利用阳光和硒晶体，光电话通过200米的大气空间，最终传送了语音信号，实现了信息的传递。之后虽然光通信技术进展缓慢，但在1960年激光器的发明，由此产生的强相干光为光通信提供了可靠的光源，随后光纤的出现大大促进光纤通信的发展。2光孤子通信技术不断发展，不同技术的应用：波分复用，光放大器技术，光接入网，推动了光通信技术技术不断的演进。我相信，作为最前沿的研究，光纤孤子通信即将成为第5代光通信系统的核心技术。光纤孤子即光孤子，在19世纪英国工程师S.Russell发现船在行驶过程中，它最前方水峰基本保持不变，从而提出了孤立波的概念，在1965年，美国科学家N.J.Zabusky在研究等离子体孤立波的碰撞过程中，发现孤立波相互碰撞后，不会产生太大的变化。依然保持形状和速度不变，并保持能量和动量守恒。1973年的时候，“光孤子”首先被A.Hasegawa和F.Tappert提出，1980年，F.Mollenaure等人最先从实验室中观测到了光纤中的时间光孤子，从此开始了光孤子通信的研究。光孤子，是一种特殊形式的超短脉冲，光孤子在传播过程中，它的形状，幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。在未来，这种稳定的脉冲必然是发展趋势。3光孤子通信系统的基础和组成3.1光孤子通信基础科学家发现光孤子脉冲具有不变性，因此它的传输不需要中继；在纤放大器的研究过程中，发明的激光二极管泵浦的掺铒光纤放大器补偿了损耗；科学家发现光孤子进行碰撞后，他们进行分离后具有稳定性，为设计波分复用提供了方便；预加重技术的使用，与此同时结合色散位移光纤传输，然后结合掺铒光纤集总信号放大的技术，可以减弱ASE的影响。许多技术是为了以后更好实现光孤子通信和全光网络做准备。3.2光孤子通信组成EDFA-掺铒光纤放大器光孤子通信系统的基本组成我必须要在这里强调说明，以现在的科技水平来说，孤子源是一种类似孤子的超短光脉冲源。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，经过放大后进入光纤传输。4孤子通信的优点我认为在光通信之中，它的目标比较明确，就是为了充分发挥光纤的带宽潜力，减少光纤损耗及色散的影响，扩大传输容量，降低成本，延长中继距离。所以我们提到的光孤子通信是一种全光非线性通信方案，根据我们对全光非线性通信的了解，知道光纤折射率的非线性效应可以对光脉冲的压缩，可以和群色散引起的光脉冲展宽相平衡，因此我们得出光孤子通信的优势：（1）多通道波分复用的光孤子通信得以实现，实现大容量信息的传输；（2）在这种通信中，光传输系统不会受色散的限制；（3）此种通信传输中失真不会产生，比较适合远距离的传输，中继距离可孤子源调制器EDFA光纤传输系统信号源达几百千米；（4）全光中继可以实现。孤子脉冲的特殊性质导致继电器绝热过程是简化的放大过程，中继器被大大的简化，高效，简单和经济；（5）石英光纤传输中，光孤子损耗达到最小；（6）光孤子使光纤的传输容量增大了，甚至比当今最好的通信系统高出几个数量级，被认为是最有前途的传输方式之一；5孤子通信的关键技术通过阅读文献，了解相关资料，我发现，光孤子在光纤中的传输过程，光纤损耗必然对光孤子传输产生影响，光孤子之间具有相互作用，高阶色散效应对光孤子传输产生很大的影响等等。所以光孤子通信主要涉及以下的技术。5.1适合光孤子传输的光纤技术在研究光孤子通信系统中，光孤子沿着光纤传输会产生一定的变化。我们如果想确定能量补充的中继距离，必须研究光孤子（特殊光纤参数）传输的距离。特定的光纤有不同的用处，经过多次的实验，科学家发现，色散位移单模光纤之所以成为光孤子通信系统的传输媒质，是因为光孤子的峰值功率与光纤色散的平方成反比，可以长距离采用。与此同时，色散零点原本是1.3μm，增加到了1.55μm处，高效利用了色散零点。5.2孤子光源技术孤子光源是光孤子通信的另一关键部件，基阶光孤子可由其直接产生（双曲正割形式是前提）。为了防止产生畸变，使光孤子有效传播，激光器必须有足够的输出功率，谱线宽度要尽可能窄。根据理论分析，振幅必须达到一定条件，与此同时输出的光脉冲必须为严格的双曲正割形，光纤中光孤子才可以稳定地传输。根据资料的显示，我们会发现，我们所使用的锁模半导体激光器经常作为光孤子源，特点是输出光脉冲是高斯形的，具有较小功率，如果其产生的光孤子源经光纤放大器放大后，光孤子传输的峰值功率就可以实现。科学家进行了大量实验验证，发现波形在光孤子传输过程中，其要求并不严格。在色散光纤中传输时，高斯光脉冲会由于非线性自相位调制与色散效应共同作用，光脉冲发生变化，中心产生双曲正割形，孤子光源因而就可以产生。5.3光孤子的放大技术研究表明，全光孤子放大器是光孤子通信系统极为重要的器件，可为光端机的前置放大器，全光中继器也可以实现。由于光纤损耗是不可以避免的，它必将会导致一个后果，那就是使孤子的能量不断削弱减少。所以，我们采用最简单的放大形势是沿着光纤周期性地加一些光发大器，其增益调整到正好补偿两个放大器之间的光纤损耗。放大器的设计，重要的参数就是L。为了降低成本，L越大越好，但L要受到许多因素的限制，一般只能传10km到30km,用来避免孤子在幅度。宽度和能量上发生的较大变化。我们发现之所以L越小，是因为孤子脉冲越窄。我们如果采用色散位移光纤，L可以增大到30~50km。下面我们介绍的动态孤子传输法，它是集中放大器系统的主体方案，是目前最常用的技术。它采用掺铒光纤放大器，它具有增益高、插入损耗小、噪声低等优点，还有增益与输入光信号无关的优点。它可以提高通信的容量，使孤子保持超长距离传输，而且可以使放大器间距大于70km以上，此方法的稳定性已得到理论和试验的证明。所以光放大的技术很重要，可以说是全光孤子通信的重中之重，是必须解决的首要问题。采用放大器之间，热噪声是无法避免的，它可以与孤子相互作用后，产生戈登-豪斯效应，容易限制孤子传输系统容量，影响放大器间隔。抑制戈登-豪斯效应可以采用在放大器后加一个带通滤波器，使光孤子顺利传播。5.4光孤子开关技术光孤子开关分为自触发开关和他触发开关两类。自触发开关是由光孤子自身特性变化引起的，例如孤子能量的变化、偏振态的变化和孤子自频移的改变等；他触发开关通常是用一个孤子来控制另一个孤子，也可利用外电场、磁场来控制，其发展趋势是利用非孤子脉冲控制孤子脉冲。目前开发的有X型耦合、干涉型和偏振光孤子开关等。干涉型全光开关是当前很成功的一类光孤子开关，这种耦合光纤环路是逻辑开关最基本的组合单元，它充分利用光孤子相干的性质。耦合光纤环路干涉型全光孤子开关将孤子射入与它耦合的光纤环路中，耦合光纤环路使孤子反射或通过。光纤环路的开和关只决定于孤子的强度，不受外界影响，恰当选择孤子是实验成功的关键，孤子不会在光纤中消散。在实验中，光脉冲的持续时间是s量级。在这样短的时间里，光所经过的距离不超过0.1nm，各个光脉冲完成各自接通所需的能量很小，约J量级，是当今所报道的所有光开关的最低转换能量。光孤子开关最大的特点是它的效率高，可以达到很快的速度，甚至可以到s量级，开关转换率非常高（可达100%），其实在光孤子通信中还有较为特殊的技术，预加重技术可以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，长距离稳定传输的光孤子由此产生。我相信，新的技术会不断出现，全光网络的时代即将到来。6光孤子通信技术现状及趋势6.1国内光孤子通信的动态我国的光孤子通信研究起步比较早，大约从1984年开始，我国科学家就开始研究光孤子，在光孤子研究方面取得了显著的成果。目前我国的理论研究工作已很进步，对于正散射区和反散射区等各种非线性薛定锷方程有较深的研究，获得了多种形式的孤子解。我国“863”研究项目对光纤通信进行研究，最后发现的“OTDM光孤子通信关键技术”通过了专家验收。该项目组取得很多成功，例如：采用非线性光学环路实现2.5-20Gbit/s的解复用，用色散补偿光纤对光脉冲进行压缩等等。我认为，我们必须认识到我国的工业水平较低，特别是高新技术基础比较薄弱，而且我国对光孤子通信投入较少，进展还是比较缓慢。6.2国外光孤子通信的动态多年来，光孤子通信的研究不仅仅涉及理论了，更多的是一些现场的测试。国外已计划进行了一系列的孤子现场试验，并取得了成功。下面我就找了几个成功的试验：6.3对光孤子通信前景展望在当前情况下，光孤子传输实验的最高传输码率为160Gb/s，今后还会使用fs级光孤子通信，其码率和传输距离还可以有很大的提高。我相信，在未来的光纤通信通信中，光孤子通信将占据主要的地位，光孤子通信系统将成为未来信息高速公路的基石。在未来的光孤子通信研究中，会有不同的组合功能部件的研制，例如：能量中继站的开发，逻辑工作站的研究，信道分合处理的研制，这些器件的进一步研究将快速推进光通信的发展。在光孤子通信中，暗孤子也存在，相比亮孤子，其有许多的优点，暗孤子的产生是非线性薛定谔方程在正常色散介质中的孤子解，强度分布一个凹陷脉冲，在介质内传播时，下凹脉冲形状不发生变化，即为暗孤子。暗孤子将来必然会结合光孤子，给我们带来更多价值。我相信，全光通信是光孤子通信系统实现目标，利用光节点工作，不需要在光纤线路中加装电子元器件。与此同时，它也可以在高温下工作，克服色散对光纤通信系统性能进一步提高的限制，全光网络必将极大的提高传输容量。我相信，未来的社会信息传递会更加迅速，便捷且安全。参考文献[1]宋有才.《光孤子通信技术展望》[M].阜阳:阜阳师范学院学报.2009年版[2]郝丹.《光纤通信概述》[M].中国科技信息报.2010年版[3]于洋.《光孤子通信及其关键技术》[M].物理与工程报.2002年版[4]刘喜莲.《光孤子发现史》[M].物理与工程报.2005年版[5]钟卫平.《全光非线性光孤子通信》[M].应用光学报.1996年版[6]黄虎清.《光孤子通信研究进展》[M].综述与评论报.2009年版[7]郭丽.《光孤子通信技术及发展》[M].电子技术报报.2013年版[8]张明德.《光纤通信原理与系统》[M].东南大学出版社.2015年版