光孤子通信概述PPT课件
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《全光通信》PPT课件
（2）系统易于实现波分复用，例如传送N路波分复用信号。 （3）提高系统的发射光功率和光接收灵敏度。
32021/3/3
9.1.2
关实 键现 技全 术光
通 信 的
早在20世纪80年代，人们就开始了光放大器的研究，先后进 行一系列的光放大实验、随着在1.55μm波段的激光技术的不断成 熟，零色散波长移至1.55μm的色散位移光纤的开发成功，使掺铒 光纤放大器的发展应用前景十分好看，目前已商用的EDFA产品的 指标可达到：增益大于400dB，饱和输出功率大于17dBm，噪声指 数小于4dB，一些光传输网络已应用EDFA进行光中继或光功率补偿， 最高的传输率已超过1000Gbit/s（波分复用方式），最长的传输距 离已达10 000km量级。
又不为零的光纤作为传输光纤为最佳方案，而对于现有已铺设的大量
标准光纤系统来说，可通过采用量子阱激光器和外调制技术，减小使 用DFB激光器和直接调制所带来的高速信号的啁啾声，从而减小色散 影响，除此之外，还可以利用色散值和为负的色散补偿光纤来补偿标 52021/3/3准光纤的正色散，以达到减小色散的目的。
2 2021/3/3
9.1.2
关实 键现 技全 术光
通 信 的
全光通信中采用了光复用、光交换和其他光处理技术，从而实 现任何点与点之间的全程光信号的交互与传输。这意味着点对点的 信息传递，只由光载波来完成，中间无需任何光- 电- 光的变换。它 的进展完全取决于光直接放大、光补偿（色散和非线性）以及高速 光调制等一系列技术的进展。下面逐一加以探讨。
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9.1.2
3．光交换
关实 键现 技全 术光
通 信 的
光交换技术是实现一光通信的关键技术之一，与电子式交换相 比，光交换无须在光纤传输线路和交换机之间的设置光/电或电/光 变换，不存在“电子瓶颈”问题，它能允分发挥光信号的高速度、 宽带和无电磁感应的等优点，综合迄今为止的研究成果，已有光交 换方式大致可分为五种：光空分交换、光时分交换、光波分交换、 复合型光交换和自由空间关交换（上述概念交在光交换一节中详细 阐述），因自由空间光交换具有1mm范围高达10μm量级的分辨率 等显著特点，而被认为是一种很有前途的光交换方式。
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关实 键现 技全 术光
通 信 的
早在20世纪80年代，人们就开始了光放大器的研究，先后进 行一系列的光放大实验、随着在1.55μm波段的激光技术的不断成 熟，零色散波长移至1.55μm的色散位移光纤的开发成功，使掺铒 光纤放大器的发展应用前景十分好看，目前已商用的EDFA产品的 指标可达到：增益大于400dB，饱和输出功率大于17dBm，噪声指 数小于4dB，一些光传输网络已应用EDFA进行光中继或光功率补偿， 最高的传输率已超过1000Gbit/s（波分复用方式），最长的传输距 离已达10 000km量级。
又不为零的光纤作为传输光纤为最佳方案，而对于现有已铺设的大量
标准光纤系统来说，可通过采用量子阱激光器和外调制技术，减小使 用DFB激光器和直接调制所带来的高速信号的啁啾声，从而减小色散 影响，除此之外，还可以利用色散值和为负的色散补偿光纤来补偿标 52021/3/3准光纤的正色散，以达到减小色散的目的。
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关实 键现 技全 术光
通 信 的
全光通信中采用了光复用、光交换和其他光处理技术，从而实 现任何点与点之间的全程光信号的交互与传输。这意味着点对点的 信息传递，只由光载波来完成，中间无需任何光- 电- 光的变换。它 的进展完全取决于光直接放大、光补偿（色散和非线性）以及高速 光调制等一系列技术的进展。下面逐一加以探讨。
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3．光交换
关实 键现 技全 术光
通 信 的
光交换技术是实现一光通信的关键技术之一，与电子式交换相 比，光交换无须在光纤传输线路和交换机之间的设置光/电或电/光 变换，不存在“电子瓶颈”问题，它能允分发挥光信号的高速度、 宽带和无电磁感应的等优点，综合迄今为止的研究成果，已有光交 换方式大致可分为五种：光空分交换、光时分交换、光波分交换、 复合型光交换和自由空间关交换（上述概念交在光交换一节中详细 阐述），因自由空间光交换具有1mm范围高达10μm量级的分辨率 等显著特点，而被认为是一种很有前途的光交换方式。
光通信及光孤子
——非线性效应：自相位调制
（SPM：Self-phase Modulation）
群速色散
光纤的群速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，便形成脉冲展宽，使信号畸变失真。
Hale Waihona Puke 自相位调制克尔效应（OKE）使得当光的强度变化时使 频率发生变化，从而使传播速度变化。在光纤 中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速 度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。 这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲 受到压缩变窄。
——物理上，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物
——数学上，它是某些非线性偏微分方程的一类稳定的、能量有限的不 弥散解
——孤子在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变
光孤子的形成机理
光孤子稳定存在的条件
——线性效应：光纤的群速色散 （GVD：Group Velocity Dispersion）
——特点: 开关速度快（10-2s量级）、开光转换率 高（达100%）、开光过程中光孤子形状
不发生改变，选择性能好
光孤子源技术
——光孤子稳定传输条件： 光脉冲为严格的双曲正割形 振幅满足一定的条件 ——现有的光孤子源 拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺饵光纤孤 子激光器、增益开环半导体孤子激光器、锁模半 导体孤子激光器
全光孤子放大器
——特点：可对光信号直接放大，避免了光电、电 光模式
光孤子开关技术
光孤子通信系统
孤子与光孤子
孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一 种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。
孤子的提出 ——1834年美国科学家罗素在流体力学中首先提出 ——在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，在船突然停下时，在船头 形成的一个孤立的水波迅速离开船头 孤子的特点
光孤子通信技术 系统构成及工作原理PPT文档共22页
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
光孤子通信技术 系统构成及工作原理
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌
非线性光纤光学 第五章光孤子 ppt课件
线性稳定性分析
✓ 稳态解 忽略损耗，考虑稳态情况下连续波在光纤中的传输情况：
iA z122T 2A2|A|2 A
对于连续波，入射端振幅与T无关，并认为在光纤内传输时仍保 持与时间无关，可以得到方程的稳态解为
A P0 exp(iNL)
入射功率 NL P0z SPM感应的非线性相移
上式表明，连续波在光纤中传输时除了获得一个与功率有关的相移 （和由于光纤损耗引起的功率减小）外，其他参量保持不变。 ✓ 微扰的影响
➢ 孤子的物理理解： ✓ 光孤子由色度色散和自相位调制的结合而形成。 ✓ 通过选择适当的波长和脉冲形状，激光产生孤子波形， 孤子波形通过
自相位调制抵消掉色度色散，从而保持波形不变。 ✓ 色度色散和啁啾(chirp)彼此抵消，从而产生孤子。
光孤子的数学描述
➢ 非线性薛定谔方程(NLS) 从数学上描述光孤子需要用到前面介绍的NLS，
N2 LD
P0T02
LNL
2
±1，取决于GVD的正负 孤子阶数，无量纲的量
通过引入 uNU LDA，可以消去方程中的参量N，
并取GVD为负的情况，sgn＝-1，得到非线性薛定谔方程的标
准化形式：
i
u
1 2u
22
u2u0
该方程可以用逆散射方法求解，主要的结果如下：
设入射脉冲的初始形式满足 u(0, )N seh(c)
将实部和虚部分离，可以得到关于V和φ的两个方程，
V 1 2 2V 21 2V 2V30
V1V2 0 2 2
可以设相位φ与τ无关，因此式中∂φ/∂τ有关的项为零，且∂φ/∂τ变成dV/ dτ 。从第一个式子看出，要满足V与ξ无关的条件，∂φ/∂ξ必须等于常数， 因此φ=Kξ的形式，式中K是常数。因此V满足
✓ 稳态解 忽略损耗，考虑稳态情况下连续波在光纤中的传输情况：
iA z122T 2A2|A|2 A
对于连续波，入射端振幅与T无关，并认为在光纤内传输时仍保 持与时间无关，可以得到方程的稳态解为
A P0 exp(iNL)
入射功率 NL P0z SPM感应的非线性相移
上式表明，连续波在光纤中传输时除了获得一个与功率有关的相移 （和由于光纤损耗引起的功率减小）外，其他参量保持不变。 ✓ 微扰的影响
➢ 孤子的物理理解： ✓ 光孤子由色度色散和自相位调制的结合而形成。 ✓ 通过选择适当的波长和脉冲形状，激光产生孤子波形， 孤子波形通过
自相位调制抵消掉色度色散，从而保持波形不变。 ✓ 色度色散和啁啾(chirp)彼此抵消，从而产生孤子。
光孤子的数学描述
➢ 非线性薛定谔方程(NLS) 从数学上描述光孤子需要用到前面介绍的NLS，
N2 LD
P0T02
LNL
2
±1，取决于GVD的正负 孤子阶数，无量纲的量
通过引入 uNU LDA，可以消去方程中的参量N，
并取GVD为负的情况，sgn＝-1，得到非线性薛定谔方程的标
准化形式：
i
u
1 2u
22
u2u0
该方程可以用逆散射方法求解，主要的结果如下：
设入射脉冲的初始形式满足 u(0, )N seh(c)
将实部和虚部分离，可以得到关于V和φ的两个方程，
V 1 2 2V 21 2V 2V30
V1V2 0 2 2
可以设相位φ与τ无关，因此式中∂φ/∂τ有关的项为零，且∂φ/∂τ变成dV/ dτ 。从第一个式子看出，要满足V与ξ无关的条件，∂φ/∂ξ必须等于常数， 因此φ=Kξ的形式，式中K是常数。因此V满足
光孤子通信介绍
光孤子的形成机理
1973 年， Hasegawa 和 Tappert 首次提出“光孤子”的 概念，并从理论上推断， 无损光纤中能形成光孤子。他 们认为， 当光脉冲在光纤中传播时， 光纤的色散使得光 脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲展 宽，限制了传输容量和传输距离。但当光纤的入纤功率足 够大时， 光纤中会产生非线性现象， 它使传输中的光脉 冲前沿群速度变大， 后沿群速度变小， 其结果是使脉冲 缩窄。当光脉冲的展宽和压缩的作用相平衡时，就会产生 一种新的光脉冲， 形成信号脉冲无畸变传输， 这时的光 脉冲是孤立的， 不受外界条件影响， 因此称为光孤子
图２是二阶孤子的传输。它是以二 阶色散距离为周期， 周期性的发生 吸引和排斥， 也就周期性的出现一 个峰值。
图３是三阶孤子的传输， 在传输 过程中很快分裂， 除两侧两个大 的孤子外，中间激起第三个孤子。
（ 4 ）光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用 提供了方便；
（ 5 ）导频滤波器有效地减小了超长距离内噪声引 起的孤子时间抖动； （ 6 ）本征值通信的新概念使孤子通信从只利用基 本孤子拓宽到利用高阶孤子，从而可增加每个脉冲 所载的信息量。光孤子通信的这一系列进展使孤子 通信系统实验已达到传输速率 10~20Gbit/s ，传输 距离13000~20000公里的水平。
研究方向
1.掺杂光子晶体光纤产生光孤子所需泵浦功率的研 究
2. 非 线 性 效应、光纤、光纤放大器等对光孤子在光 纤中的传输特性的影响 3.光孤子改变了光网络中数据的编码方式，并可延 长再生距离，从而可以大幅度削减传输成本。
光子晶体光纤的总色散 D(λ) 可表示为D(λ) ≈ D ω (λ) + D m (λ)， (1)式中， D ω (λ) 为波导色散， 与光子晶体光纤的结构密切相关;D m (λ)为材料色散， 与材料折射率有关。D( λ) = 0 处 的 波 长 为 零 色 散 波 长 ，D(λ) ＜0 的 区域为光纤的正常色散区， 反之为光纤的反常色散 区色散效应导致光脉冲不同频率分量运动速度不同 ， 使得脉冲在传输过程中展宽
光纤通信基础知识ppt课件
应用场景
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
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在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
最新光孤子PPT
• 由武汉邮电科学研究院研制的EDFA，具有增益高、噪声低、增益特性 与光偏振状态无关。达到世界先进水平。在光端机的发送端加后置式 掺饵光纤放大器，在接收端加低噪声前置掺饵光纤放大器，则可以使 2.488Gbit/s系统具有跨越100～250km无中继距离的能力。可大大降低
中继成本。
光孤子
发展前景
接叫KdV方程）。关于实自变量x 和t的函数φ所满足的KdV方程形式如 下：
• KdV方程的解为簇集的孤立子（又称孤子，孤波）。
光孤子
研发历程
• 1）1973～1980年为第一阶段：首先将光孤子应用于光通信的设想 是由美国贝尔实验室的A.Hasegawa于1973年提出的，他经过严格的数 学推导，大胆地预言了在光纤地负色散区可以观察到光孤子的存在，
光孤子
形成机理
• 一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速 度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽变宽。但当 具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即 介质的折射率随光强度而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制， 使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化 引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。 当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以 保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光 孤子。若脉冲幅度继续增大时，变窄效应将超过变宽效应，则形成高 阶光孤子，它在光纤中传输的脉冲形状将发生连续变化，首先压缩变 窄，然后分裂，在特定距离处脉冲周期性地复原。
光孤子
Thank you
光孤子
• （3）可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信 号无畸变地传输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检 查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。
中继成本。
光孤子
发展前景
接叫KdV方程）。关于实自变量x 和t的函数φ所满足的KdV方程形式如 下：
• KdV方程的解为簇集的孤立子（又称孤子，孤波）。
光孤子
研发历程
• 1）1973～1980年为第一阶段：首先将光孤子应用于光通信的设想 是由美国贝尔实验室的A.Hasegawa于1973年提出的，他经过严格的数 学推导，大胆地预言了在光纤地负色散区可以观察到光孤子的存在，
光孤子
形成机理
• 一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速 度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽变宽。但当 具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即 介质的折射率随光强度而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制， 使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化 引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。 当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以 保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光 孤子。若脉冲幅度继续增大时，变窄效应将超过变宽效应，则形成高 阶光孤子，它在光纤中传输的脉冲形状将发生连续变化，首先压缩变 窄，然后分裂，在特定距离处脉冲周期性地复原。
光孤子
Thank you
光孤子
• （3）可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信 号无畸变地传输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检 查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。
非线性光学--光孤子通信
非线性光学在光通信方面的应用陈全胜1302110202 光科1102班非线性光学是研究相干光与物质相互作用时出现的各种新现象的产生机制、过程规律及应用途径, 是在激光出现后迅速发展起来的光学的一个新分支。
非线性光学的研究在激光技术、光通信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重要的应用, 具有重大的应用价值和深远的科学意义。
本文着重介绍非线性光学效应在光孤子通信方面的应用。
光孤子（soliton）是能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。
光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是光信号在传输过程中能量不断损耗和光脉冲在传输过程中色散效应。
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。
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。
由于非线性特性，光的强度变化使频率发生变化，从而使传播速度变化。
在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。
这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄，产生光信号的脉冲的压缩效应。
光孤子通信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，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。
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。
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。
利用光孤子进行通信，其传输容量极大，可以说是几乎没有限制。
传输速率将可能高达每秒兆比特。
光孤子通信的基本原理
光孤子通信的基本原理
光孤子通信是一种基于光孤子现象的通信技术。
光孤子是一种特殊的光脉冲，它在传输过程中保持形状不变，即使在遇到光纤的弯曲、断裂等故障时也能保持稳定传播。
光孤子通信的基本原理可以分为以下几个步骤：
1. 信号产生：首先，发送端将需要传输的数据转换为电信号，然后通过电光转换将电信号转换为光信号。
2. 信号传输：然后，光信号在光纤中传输。
在这个过程中，光信号可能会遇到各种故障，如光纤的弯曲、断裂等，但这些故障不会改变光信号的形状，因此光信号能够稳定传播。
3. 信号检测：接着，接收端接收到光信号，然后通过光电转换将光信号转换为电信号。
4. 数据恢复：最后，接收端通过解调等技术将电信号转换为原始的数据。
光孤子通信的优点是抗干扰能力强，传输质量高，适合长距离、大规模的数据传输。
但是，它也需要先进的光电转换和解调技术，而且传输速度受到光纤特性和设备性能的限制。
11.2 光孤子通信
11.2 光孤子通信1. 孤子的基本概念孤子，英文为Soliton，又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。
孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。
孤子概念的提出1834年，美国科学家约翰·斯科特·罗素观察到这样一个现象：在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，在船突然停下时，在船头形成的一个孤立的水波迅速离开船头，以每小时14～15km的速度前进，而波的形状不变，前进了2～3km才消失。
罗素把观察到的这个波为孤立波。
孤子概念的科学定义1895年，卡维特等人对此进行了进一步研究，人们对孤子有了更清楚的认识。
从物理学的观点来看，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物。
孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把孤立波称为孤立子，简称孤子。
由于孤子具有这种特殊性质，因而它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学和非线性光学中得到广泛的应用。
光纤中的孤子1973年,美国Bell实验室的Tapper和Hasegawa两位科学家第一次通过理论计算证明了当光脉冲内部作用相互平衡时,就会形成一种稳定无变形的信号脉冲来进行传播,由于此时的光脉冲是孤立的,与外界条件无关,故而被叫做光孤子。
1980年Bell实验室的Mollenewor等人首次在实验中观察到了光孤子，验证了理论分析的正确性。
3. 影响光孤子通信系统的因素 自发辐射ASE噪声光孤子频率啁啾自感应受激喇曼散射孤子自频移4. 光孤子通信系统的优点容量大误码率低抗干扰能力强可以不用中继站……。
光孤子通信
光孤子通信的关键技术
关键技术
光孤子 源技术
光孤子 放大技 术
光孤子 开关技 术
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，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。
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基本原理
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，其传输容量比原来最好的通 信系统高出1~2个数量级，中继距离可达几百km。它被认为是下一代 最有发展前途的传输方式之一。 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。利用光孤子进行通信，其传输容量极大，可 以说是几乎没有限制。传输速率将可能高达每秒兆比特。由此可见，光 孤子通信的能力何等巨大。
光孤子开关技术
光学空间孤子.pptx
孤子概念的引入
因为孤立波具有非常独特的稳定性，两孤
立波相遇之后，原有的波形保持不变，人 们称其为具有类似于物质粒子之间的碰撞 特性，或称之为孤立波碰撞。为了强调这 种碰撞特性，将具有碰撞特性的孤立波称 为“孤立子”或称“孤子”
波在传播中往往存在色散现象，色散主要
由材料的性质决定。一个线性波动由于在 介质中传播时存在色散，所以该波动是不 稳定的。
光孤子通信的基本原理
虽然孤立子可以在传播中保持稳定的能量
和波形，但在光线中传输时一点能量都没 有损失是不可能的。例如，光纤的任何一 点微小缺陷都可能造成能量损失
这些损耗虽然不改变孤子形状。但却降低 了孤子的脉冲幅度。导致脉冲最终失去孤 子的特性。 这就是说，光学孤立子的远距离传送中要 解决能量损失的补充问题
略去单色光表 达式： 中包函数上的 横线，立即可 以得出强满足 的方程:
第（3）式即为非线性薛定谔方程（NLSE）
再利用：Biblioteka 和相位速：就有： 式中：
全光型孤立子通信
低强度光脉冲在光线中传播，不可避免地
产生色散，从而造成光脉冲的加宽与变形， 大大影响光通信传播的质量与距离
然而，如果利用孤立波进行通信，由于孤
【1】陆同兴、张李谦《非线性物理概论》第 二版【J】孤立波，2010，2 【2】郭硕鸿《电动力学》第三版【J】光学 空间孤子，2011，5 【3】蔡炬，杨祥林《光孤子通信技术的现状 与未来》【J】．半导体光电，2003，24(1)：
托（F.Tappert）两人利用非线性薛定谔方程， 首次从理论上导出在光纤的反常色散区能 够形成光学孤立子或称孤子，并为光学孤 子波通信建立了理论基础。与kdv方程描述 的孤立子相似，由非线性薛定谔方程描述 的光纤中的光学孤立子是光波在传播过程 中色散效应与非线性压缩效应相平衡的结 果
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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。
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8.2光纤的非线性传输与孤子通信
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、
第八章 光孤子通信
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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
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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。
－ 10
－5
0
5
10
时 间 / ps
25
1
/
－率
0
频
－ 25
－ 15 － 10
－5
0
5
10
时 间 / ps
脉冲的光强频率调制
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如图 所示， 在脉冲上升部分，|E|2增加， (t ) >0， 得到Δω<0，频率下移；在脉冲顶部，|E|2不变， n =t0， 得到 Δω=0，频率不变；在脉冲下降部分，|E|2减小，Δntt<0， 得 到 nΔω>0，频率上移。频移使脉冲频率改变分布， 其前部(头)频 率 t 降低，后部(尾)频率升高。这种情况称脉冲已被线性调频，
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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。
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8.2光纤的非线性传输与孤子通信
通信
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强
1 .0
0 .5
光
cm
0 .0 － 15
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。
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8.1 自相位调制(SPM)
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8.1 自相位调制(SPM)
(3)
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8.1 自相位调制(SPM)
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(b)
反常色散 (红慢紫快)
负啁啾(紫头红尾)
压缩 展宽
脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应可被压缩或展宽
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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)。
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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。
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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
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8.1 自相位调制(SPM)
8.1.2 光纤中的自相位调制效应
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8.1 自相位调制(SPM)
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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。
EDFA、光纤传输系统以及信号源。
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孤子源
调制
EDFA
光纤传输系统
探测
脉冲源
隔离器 EDFA EDFA
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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。
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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。
或称啁啾(Chirp)。
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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。
后沿
前沿
(尾)
(头)
(a) 正啁啾(红头紫尾)
反常色散 (红慢紫快)