光孤子通信及其展望

技 术 前 沿
!"# 激光器作为光孤子源，利用 3,4%56 光调制器
对光孤子数据进行编码，光纤环路全长 7**&’， 每 让 7*&’ 安 装 一 个 8!"9 ， 共 用 了 )( 个 8!"9， )*+%,-:;.0 的孤子数据信号在环路中循环传输。实验 中测得， 在 )1*.! )*2.&’ 范围内， 不同传输距离的误 比特率特性基本一致， 经过 7.! )*<.&’ 和 )1=.! )*>:&’ 传输后， 孤子波形无脉冲展宽， 噪声积累也很少。 比地 该试验的最大传输距离达到 )1=:! )*>:&’， 球与太阳之间的距离还要长 6:! )*=:&’ 。 日本 4?? 公司利用已铺设的水户与前桥之间 的 )<*&’ 的光缆线路进行来回往返传输， 在世界上 首先实现了室外光孤子无误码传输。 )*+%,-:;:0、 )*@0 宽的光孤子脉冲经 (:7**&’ 传输， 以及 (*+%,-:;:0 经 光孤子波形均保持不变。 该试验为 ):***&’ 传输后， 光孤子的实际应用拉开了序幕。 据报道， 孤子传输的最高试验速率为 )2*+%,-:;:0。 日本和美国利用太平洋海底光缆建立了光孤子传输 实用系统。越洋长距离传输是未来孤子通信的主要 应用领域。

!""# 年 第 $ 期
前的光孤子通信试验系统大多采用体积小、重发频 率高的增益开关分布反馈 （!"# ） 半导体激光器或锁 模半导体激光器作为孤子源。它们的输出光脉冲是 高斯形的， 功率较小， 但经光纤放大器放大后， 可获 得足以进行光孤子传输的峰值功率。理论和实验均 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，光脉冲中心部分会逐渐演化为 双曲正割形。 光孤子在传输中不可避免地存在损耗，但损耗 只降低孤子的脉冲幅度， 并不改变孤子形状， 补偿这 些损耗是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： $ ） 采用分布式光放大器的 方法，即采用受激拉曼散射放大器或分布式掺铒光 纤放大器；% ）集总光放大器法， 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 的光放大器是典型的分布式光放大器，其优点是光 纤自身成为放大介质，但石英光纤中的受激拉曼散 射增益系数相当小，需要用高功率激光器作为光纤 中产生受激拉曼散射的泵浦光源， 此外， 这种放大器 还存在一定的噪声。集总放大方法由掺铒光纤放大 器实现， 其稳定性已得到理论和试验证明， 成为目前 孤子通信采用的主要放大方法。
该试验采用光孤子控制技术，成功实现了
)*+%,-./.0 、 )1*. ! )* .&’ 光 孤 子 传 输 。 该 系 统 采 用
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技 术 前 沿
通信系统中， 孤子间的相互作用将导致波形畸变， 使 传输特性恶化、 速率下降、 距离缩短， 如何减少或抑 制孤子相互作用仍是一个重要的研究课题； ! ） 暗孤 子有许多亮孤子不具备的优点。 目前， 对暗孤子的研 究还处于初级阶段， 对暗孤子进行研究很有价值； "） 除泵浦光源仍采用半导体激光器外，其余功能元件 均采用光纤制作的全光纤孤子激光器、光孤子开关 以及光孤子逻辑等； #） 研究 $%&!! 波长的光孤子通 信， 利用 $%&!! 窗口正色散区比负色散区大的特点； 利用高阶光孤子实现多值传输。 ’） 当前光孤子实验系统暴露出的最大问题是最大 放大间距受到限制， 如何延长放大间距， 减少放大器 数量， 降低成本是光孤子通信亟待解决的问题。 由于光孤子通信具有高容量传输、 长距离、 误码 率低、 抗噪声能力强等优点， 倍受国内外关注， 其研
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34/#1通信取得了突破性进展。 光纤放
大器的应用对孤子放大和传输非常有利，它将孤子 通信的梦想变为现实。光孤子通信的关键技术是光 孤子源和光孤子传输中的能量补偿。 光孤子源是实现超高速光孤子通信的关键。根 据理论分析，只有当输出的光脉冲是严格的双曲正 割形， 且振幅满足一定条件时， 光孤子才能在光纤中 稳定传输。目前， 研究和开发的光孤子源种类繁多， 有拉曼孤子激光器、 掺铒光纤孤子激光器、 增益开关 半导体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。目
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引言
在线性光纤通信系统中， 光纤损耗和色散是限
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光孤子通信系统 光孤子通信系统的基本结构如图 ( 所示。
制传输容量和距离的主要因素。随着光纤制作工艺 的不断提高， 光纤损耗已接近理论极限， 于是光纤 色散便成为实现超大容量、超长距离光纤通信的 “瓶颈” ， 亟待解决。经过一百多年的探讨， 人们发现 由光纤非线性效应产生的光孤子 （!"#$%"& ） 能抵消光 纤色散的作用， 利用光孤子进行通信， 能很好解决 光纤色散问题，从而形成了新一代光纤通信系统， 它是 ’( 世纪最有发展前途的通信方式。
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传输试验
近几年来， 光孤子研究不断取得突破性进展， 系
统试验不断深化。美、 日、 英等国都建立了光孤子回 路试验系统， 回路上均匀设置许多光放大器， 信号绕 回路若干次，模拟几千 &’ 甚至几万 &’ 的长距离 传输。图 ( 所示的是超长距离光孤子传输试验。
图!
超长距离光孤子传输实验装置
究正呈现出向非相干光孤子方向发展的趋势， 这方 面的理论和实验研究为实现非相干光束对相干光束 的控制提供了可能， 具有十分重要的意义； 在光纤 G）
图! 光孤子通信系统基本结构
发送端由孤子激光器产生一串光孤子序列（即 ， 通过调制器， 电脉冲源信号对光孤 )! 级超短脉冲） 子流进行调制， 将信号加载于光孤子流上， 被调制的 光 孤 子 流 经 掺 铒 光 纤 放 大 器 （*+,- ） 放大和光隔 离器后进入光纤。为解决光纤损耗引起的光孤子减 弱问题， 在传输线路中增加若干光放大器， 以补偿光 脉冲能量损失，同时需要平衡非线性效应和色散效 应， 保证脉冲的幅度和形状稳定不变。在接收端， 通 过光孤子检测装置及其他辅助装置将信号还原。
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光孤子通信系统基本结构
光孤子的产生 在非线性光学研究中提出了光孤子通信问题。
当光纤的入纤功率较低时，可认为光纤是线性系 统。在线性系统中， 光纤中传输的光脉冲受光纤色 散的影响， 脉冲展宽， 影响了光波系统的性能。随着 光纤入纤功率的增加， 光纤中的非线性现象逐渐明 显， 如果用大功率产生 )! 级窄脉冲光源射出的光耦 合进光纤， 光纤中的非线性现象更严重。光纤的纤 芯折射率随着光强增加而增加， 这种折射率的非线 性效应会造成光脉冲前沿速度变慢，后沿速度变 快， 脉冲自行缩窄。在一定条件下， 当光纤的线性现 象和非线性现象同时存在， 使光脉冲的展宽和缩窄 正好平衡时， 会产生一种新的光脉冲， 形成信号脉 冲畸变传输， 这时的光脉冲是孤立的， 不受外界条 件影响， 这种光脉冲称为光孤子。
$)) 张兴周， 孟
程大学出版社， (**&
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究前景无限宽广， ($ 世纪将属于光孤子通信时代。 参考文献
克 %) 现代光纤通信技术 %) 哈尔滨： 哈尔滨工
机械工业出版 ()) 李 履 信 ， 沈 建 华 %) 光 纤 通 信 系 统 %) 北 京 ： 社， (**&
&)) 何 淑 贞 ， 王 晓 海 %) 光 通 信 技 术 的 新 飞 跃 %) 网 络 电 信 ，
： &-).)&/ (**+,)（- ）
+)) 李
影 ， 李 文 田 ， 魏 书 军 %) 光 孤 子 通 信 最 新 研 究 进 展 及
技术发展动态 %) 光通信技术， (**(,)（0 ） ： 0/).)-& 。
桂厚义 （$/0+ —） ， 男， 高级工程师， 长期从事光 纤通信的情报分析、 研究和编辑工作。 收稿日期： (**+1$(1(2
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光孤子通信的发展前景
非线性光纤光孤子通信是一种全新的超高速、
大容量、 超长距离的通信技术， 信息传输容量比现在 最好 的 光 纤 通 信 系 统 还 要 高 出 ):A:( 个 数 量 级 ， 它 将成为 () 世纪的主要系统。 光孤子研究领域已在国内外取得重大进展。在 时域上的亮孤子、 正色散区的暗孤子、 空域上展开的 三维光孤子（又称光弹子）等完全由非线性效应决 定，不需要任何静态介质波导，因此近年来倍受重 视。 光孤子通信发展前景为： 在 @0 （)*")(:0） 级光孤 $） 子通信实用化基础上研究开发多波长 B@ （)*")7:0 ） 级 光孤子通信， 进一步提高传输码速率和传输距离， 其 期 望 速 率 不 小 于 )**+%,-: ;: 0 ， 直 通 距 离 不 小 于 由于不需要在光纤线路中加装电子器件， )*C&’ ； %） 光孤子通信系统可以在 )**#D 的高温下工作， 如果 加上简单的制冷系统，还可以在 )***#D 的高温下 工作， 提供了一种新的理想的传感器； 全光通信是 E） 光孤子通信系统今后的发展方向，应使其主要部件 实用化、 商业化、 集成化； 光折变空间光孤子的研 F）
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光孤子通信及其展望