光孤子通信技术 系统构成及工作原理
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
相干光及光孤子通信系统
基本原理
信号光
wS
光检测器
电信号处理
wL
本振光 基带信号
设信号光和本振光的电场分别为:
ES AS exp[ j (wS t S )]
EL AL exp[ j (wLt L )]
检测到的功率为:
P K ES EL
2
P(t ) PS PL 2 PS PL cos(w IF t S L )
光孤子通信系统主要由五部分组成：
光孤子源、调制器 传输光纤、孤子能量补偿放大器 孤子脉冲信号检测接收
光纤传输系统 EDFA 隔离器 隔离器 检测
孤子源
调制
脉冲源
EDFA
EDFA
EDFA
本章小结
本章小结
点对点光纤通信系统
组成原理 数字系统的构成
PDH体制和SDH体制 数字通信系统的设计 其它光纤通信系统
不考虑噪声时，带通滤波器滤波后的光电流可以写成
I f (t ) 2 R PS PL cos(wIF t )
基带信号
1 I d (2 R PS PL cos( ) ic ) 2
相干检测—外差异步解调
外差异步解调
信号光
wS
光检测器
带通 滤波器
包络检波
低通滤 波器
基带信号
wL
6.8 相干光通信系统
相干光通信的优势
接收机灵敏度
与IM/DD系统相比可以改进20dB ,从而在相同发射机功率 下，允许传输距离增加100km 能解调相位信息，可成倍增加光纤带宽利用率
信号输出
带宽利用率
光孤子通信技术研究
信 网产 生 革命 性 的 变化 。
介 质 的折 射 率 随光 强 而 变化 ， 由此 导 致 在 光脉 冲 中产
２０ ２年 第 １ ０ ９期（ 总第 １ ） ５期 １
同， 在介 质 中 的传 播 速度 也 不 同 ， 因此 ， 脉 冲 在光 纤 光
中将 发生 色 散 ， 得 脉 宽展 宽 。但 当具 有 高 强 度 的极 使 窄单 色 光脉 冲 入射 到光 纤 中时 ，将 产 生 克尔 效应 ， 即
潮。 他们 认 为 光孤 子 技术 可 以形 成 能够 传 输更 长 距 离 和 提供 更 大波 长 容 量 的下 一 代 波分 复 用 系 统 ， 光通 使
Ｄ Ｍ 系统 传输 速 率 的基 础 。 目前 ， ＷＤ 国际 上 的商用 产 品 以 （ Ｍ ６ ｘ ．Ｇ ｐ 系 统 为 主 流 ， １ Ｇ ｐ 为 基 础 ８ ） ２５ ｂ ｓ 以 ０ ｂｓ
２ 光 孤 子 通 信 的原 理
２１ 光孤 子 的物 理解 释 ．
人 们 对孤 子 的 研 究 ，可 以追 溯 到十 九 世 纪 中 叶 ， 英 国工 程 师 罗 素 在 河 边 观 到 一 种 浅 水 波 包 络 在 运 动 过 程 中波 形保 持 不 变 ， 由此 开 始 了对 此 新奇 现 象 的 研
１ 前 言
随 着人 类 社 会信 息 传 输 量 的 日益增 加 ， 对通 信 系 统 的速 率要 求 越来 越 高 。 光纤 通信 巨大 的带 宽 资源 和 相 对 低 廉 的 制造 成 本 使 得 光纤 通 信 系 统 成 为 现 代 通 信 系统 中最 为 重 要 的基 础 设 施 。 目前 ， 纤 通 信系 统 光 传 输 速 率 的 提 高 主要 靠 提 高单 波 长 传 输 速 率 和 加 大 Ｄ Ｍ 中信道 数 两 种 方 式 。 由 于 光放 大 器带 宽 和光 ＷＤ 纤 低 损 耗 通 信 窗 口带 宽 的 限 制 ， ＷＤ 的信 道 数 是 Ｄ Ｍ 有 限 的 ，因 此 提 高单 波 长 传输 速 率 又 是 进 一 步 提 高
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
非线性光纤光学-第五章-光孤子
➢ 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，
✓ 随着波分复用技术的出现，色散管理技术被普遍采用，它通过周期性色散图从 总体上降低GVD，而在局部GVD则保持较高值。β2的周期性变化形成另一个光栅， 可以显著影响调制不稳定性。在强色散管理情况下（相对大的GVD变化），调制 不稳定性增益的峰值和带宽均减小。
✓ 调制不稳定性在几个方面影响WDM系统的性能。研究表明，四波混频的共振增强 对WDM系统有害，特别是当信道间隔接近调制不稳定性增益最强的频率时，使系 统性能明显劣化。积极的一面是，这种共振增强能用于低功率、高效的波长变 换
A z
i 2
2
2 A T 2
1 6
3
3 A T 3
i
|
A |2
A
2
A
为了简化孤子解，首先忽略光纤损耗和三阶色散，并引入归一化参量
U A , z , T
P0
LD
T0
输入脉冲宽度
归一化的方程为：
峰值功率
LD
T02
| 2
色散长度 |
i U
sgn(2
)
1 2
2U
2
N2
U 2U
N 2 LD
P0T02
第五章 光孤子
1.调制不稳定性 2.光孤子 3.其他类型孤子 4.孤子微扰 5.高阶效应
1.调制不稳定性
简述光纤通信系统的结构和各部分功能
简述光纤通信系统的结构和各部分功能光纤通信系统是一种基于光纤传输信号的通信系统，由多个部分组成，每个部分都有各自的功能。
下面将对光纤通信系统的结构和各部分功能进行简述。
一、光纤通信系统的结构光纤通信系统一般由光发射器、光纤传输介质、光接收器和光网络设备组成。
1. 光发射器：光发射器是光纤通信系统中的发送端，它将电信号转换成光信号并通过光纤传输介质发送出去。
光发射器的主要功能是将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
2. 光纤传输介质：光纤传输介质是光纤通信系统中的传输媒介，它能够将光信号传输到目标地点。
光纤传输介质具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点，使得光信号能够在长距离传输过程中保持较高的质量。
3. 光接收器：光接收器是光纤通信系统中的接收端，它接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光接收器的主要功能是将光信号转换为电信号，并能够对电信号进行放大和解调等处理。
4. 光网络设备：光网络设备包括光纤交换机、光开关等，它们用于光纤通信系统的网络管理和控制。
光网络设备的主要功能是实现光信号的路由选择、调度和管理，以及对光信号进行调制和解调等处理。
二、各部分功能的详细描述1. 光发射器的功能：光发射器主要负责将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
它包括以下几个主要功能：- 光源发生器：产生光信号的光源，常见的有激光二极管、LED等。
- 调制电路：对电信号进行调制，将其转换为光信号。
- 驱动电路：控制光源的开关和调节光信号的强度。
2. 光纤传输介质的功能：光纤传输介质主要负责将光信号传输到目标地点，具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点。
其主要功能包括：- 光纤芯：传输光信号的核心部分，由高折射率的材料构成。
- 光纤包层：包裹光纤芯，起到保护和传导光信号的作用。
- 光纤护套：保护光纤传输介质免受外界环境的影响。
3. 光接收器的功能：光接收器主要负责接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光孤子在光纤通信的基本应用
３ ． ２光孤子放大技术关键技术
全光孤 子放大器 是光孤子通 信系统 极为重要 的器件， 既 可
作为光端机 的前置放大器 ，又可作 为全光中继器 。实际上，光 孤子在 光纤的传播过程 中，存在 着不可避免地损耗 。不 过光纤
＇ 一 ｆ ７ Ａ ｒ Ｌ Ｓ Ｉ Ｌ Ｉ Ｃ Ｅ Ｏ Ｙ Ｎ 鬟 【 技 术 应用】
光 孤 子 在 光 纤 通 信 的基 本 应 用
李 峰
（ 吉林 市移动 通信 分公 司 网络 优化 中心 吉林 吉林 １ ３ ２ ０ ０ １ ） 摘 要 ：介绍 了光 孤子的产 生、光孤子 通信的基本原 理、 关键技 术及其光孤 子通信 系统构成 ，展 望 了光孤 子通信 的前景 。
关键词 ：光孤子 ；光脉 冲 ；光放 大器 中图分 类号 ： Ｔ Ｎ ９ １文献标识 码 ：Ａ 文章编号 ：１ ６ ７ １ —７ ５ ９ ７（ ２ ０ １ ３） ０ １ ２ ０ １ ６ ４— ０ １
１光 孤子的产 生
光 纤 通 信 中 ，损 耗 和 色 散是 限制 传输 距 离 和 传 输 容 量 的 主 要 原 因 。 损 耗 使 光 信 号在 传 输 时 能 量 不 断 减 弱 ；而 色 散 则 是 使 光 脉 冲 在 传 输 中 逐 渐 展 宽 。所 谓 光 脉 冲 ，其 实 是一 系 列 不 同 频 率 的光 波 振 荡 组 成 的 电磁 波 的 集 合 。 光 纤 的色 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 ， 这 便 形 成 脉 冲 展 宽 ，使 得 信 号 畸 变 失 真 。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 。 光信 号 的 脉 冲 展 宽 是 由于 光 纤 的 色 散 产 生 的 ，而 光 纤 中还 有一种非线性 的特 性，这种特性会使光信 号的脉冲产生压缩 效 应 。光 纤 的非 线 性特 性 在 光 的强 度 变 化 时 使 频 率 发 生 变 化 ， 从
第08章光纤中的光孤子
图 8.2.1 光纤中脉冲被展宽
196
对于光线 1，其单位长度上的延时为 1
n1 n1 ，对于光线 2，通过单位长度的延时为 2 ，c c sin c c
为全反射临介角，要根据全反射条件有 sin c n2 n1 。最高模式与最低模式间的群延时差为：
m 2 1
0.629
2 D L
c
，由此可以看出，通过改变控制光纤长度 L ，可以控制光学孤子
的脉宽。这是与通常的锁模激光器完全不同的。这个式是表示是二阶光学孤子，在上述孤子激光器中，在 实验上观察到的是二阶光学孤子，脉宽可达到皮秒，甚至飞秒。 实验发现孤子激光器的输出出现光学孤子与宽脉冲的无规交替，所以存在孤子激光器的稳定问题。这 种不稳定性来源于控制光纤腔，由于附腔反射镜的振动、漂移等，造成工作参数的随机变化，使从光纤反 馈回主腔的脉冲激光与主腔振荡的脉冲激光发生相位， 破坏了同步。 可通过外加伺服系统控制附腔的腔长， 使孤子激光器稳定地运转。 实验发现当孤子激光器的光纤中的光功率 p p 时，第光纤中传输的光学孤子的能量，从高频向低 频转移，在光孤子频谱的低端出现一个小峰，此称光学孤子的自频移现象。频移量 与光纤中的平均功 率的平方成正比，所以 1 c 。研究自频移现象，有利于得到频率稳定的孤子激光器。
而对于反常色散介质，则有：
dn 0 ，从而 Vg V d
而在无色散介质中，则：
Vg V
195
光脉冲能量在光纤中的传播速度为群速度，光脉冲行经单位长度所需时间称为群延时，
g
1 dk V g d
(8.2.8)
上式与(8.2.5)相比，展开式(8.2.3)的系数 k1 就等于单位长度上的群延时。如果 dk d 为常数，则群延时将 不随频率而变，光脉冲在光纤中传输的形状保持不变，没有展宽。但是，一般来说， dk d 不为常数， 这就出现了群延时差，造成脉冲的展宽。总的延时差 由三部分组成
光孤子通信
电子科技大学光电信息学院课程论文课程名称新技术专题任课教师于军胜吴志明周晓军刘永学期2012—2013（2）学生姓名骆骏学号20100510600232013年6 月25日光孤子通信技术摘要：介绍了光孤子的产生、光孤子通信的基本原理及其关键技术，展望了光孤子通信的前景。
关键词: 孤子;光孤子通信; 光纤; 掺饵光纤放大器; 前景1.引言我们正处在信息时代，人类所产生的信息每几个月就要翻一番，大量信息的传输正在逐渐耗尽现有的带宽。
光纤通信系统因其信道容量大、传输速率高、传输距离不受限而倍受青睐。
光孤子由于能保持形状无畸变地沿光纤传输，所以成为光纤通信的理想载波脉冲，可望用于未来超长距离大容量的传输系统中，因此光孤子通信系统被认为是第5代光纤通信系统，是21世纪最有发展前途的通信方式。
2.光孤子的产生2.1光孤子的发现发现孤子现象源于1834年，英国海军工程师Scott Russell注意到，在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，当船突然停下来时，就会在船头形成一个孤立的水波迅速离开船头，并以14～15 km/h的速度前进，而波的形状、幅度维持不变，前进了2～3 km才消失，这就是著名的孤立波现象。
孤立波是一种特殊形态的波，仅有一个波峰，可以在很长的传输距离内保持波形不变。
但直到1964年，人们才从孤立波现象中得到启发，引入了“孤子”概念。
所谓孤子，是指像粒子那样的孤立的波包，能始终保持波形和速度不变，具有在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度的特性。
当这种现象出现在光波中时就称为光孤子。
2.2光孤子形成原理1973年，Hasegawa和Tappert首次从理论上推断，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。
光纤通信中的光孤子技术
不 断涌 现 ， 而 大 幅度提 高 了通信 能 力 ， 且 在 不 断 扩 大 进 并 光 纤通 信 的应 用 范 围。
（ ） 波 分 复用 技 术 ： 分 复 用 ＷＤ Ｗａｅｅｇ ｉ １光 波 Ｍ（ ｖｌｎ ｔ Ｄ ． ｈ ｖ ｉ ｌｉｌ ｉｇ 技术 是 指 使 用 多 束 激 光 在 同 一 条 光纤 ｉｏ Ｍｕ ｐｅ ｎ ） ｓｎ ｈ ｘ 上 同 时传输 多 个不 同波 长 的 光 波 技 术 ，２
Ｍａ ． ０ ８ ｒ２ ０
２０ ０ ８年 ３月
光 纤通 信 中 的光 孤 子技 术
朱 锦 张 惠敏
４０ ５ ） ５０ ２ （ 郑州铁 路职 业技 术 学院 河 南郑 州
目前 ， 纤 通信 技术 已经 有 了长 足 的发 展 ， 技 术 也 光 新
光放 大 技 术 ， 最大 的 特点 是 可 以对 光信 号 直 接 进行 放 大 ， 所 使 用 的是 受 激拉 曼 散 射 （ Ｒ ） 大 器 或 分 布 式 掺 铒 光 ｓＳ放 纤 放大 器 （ Ｄ Ａ） ＥＦ 。
Ｓ Ｓ光 放 大器 是利 用 传输 本 身 的 Ｓ Ｓ效 应 来 补 偿 孤 Ｒ Ｒ 子 的能 量 ， 本 思 想 是 当两 个 不 同频 率 的 光 波 在 同 一 光 基
纤 中传 输 时 ， 由于 光 纤 的非 线性 作 用 ， 高 频 泵浦 光 波的 使 部分 能 量 传递 给低 频 光 孤 子 光 波 ， 光 孤 子 信 号 的 能 量 使 得 到补 偿 。Ｓ Ｓ放 大 的 优 点 是 ： 纤 本 身 就 成 为 光 放 大 Ｒ 光 介质 ， 由于 是分 布 式 的放 大 ， 以周 期 性扰 动 小 ， 要 保 所 只 证 泵 浦 周期 小 于 ８倍 的孤 子 周 期 ， 可 保 持 孤 子 的稳 定 就 传 输 。但 Ｓ Ｓ放大 器 也存 在 一 定 的 缺 点 ， Ｓ Ｓ放 大 器 Ｒ 即 Ｒ 的泵 浦 效率 很 低 ， ０．ｄ ／ ｖ左右 ， 仅 １Ｂｍ 为达 到 实 用 的 增 益 ， 泵 浦 功率 必 须 在数 百 毫 瓦 功 率 级 ， 半 导 体 激 光 器很 难 用 实现 ， 者 ， Ｒ 再 Ｓ Ｓ放 大 器 还 存 在 噪 声 。所 以 ， 个 方 法 距 这 光 孤 子 通信 的 实 用化 还 有一 定 的距 离 。 而分 布 式 Ｅ Ｆ Ｄ Ａ是使 用 低 浓 度 的 掺铒 光纤 作 为传 输 介质 的 ， 即利 用掺 铒 光纤 产 生 的受 激 放 大 增 益 来 补 偿 光 纤 的 损耗 ， 大 器 的装 置如 图 １所示 。 放
光孤子
光孤子的相互作用
时间孤子相互作用： 与初始间距，初始相位差和孤子振幅有关
空间孤子的相互作用
空间孤子的相互作用
Science 286, 1518 (1999).
Thank you !
m n
w
群延时差
多模色散
光纤材料色散
光纤波导结构色散引起
m n w
克尔效 克尔效 应 应
n n0 n2 I
n0 n2
线性折射率
克尔系数
设光脉冲在光纤中传播长度为 l ，则由克尔效应引起的相位移动为 2 n2 Il
0
自相位调制 附加相位引起的频移
dk 1 k d 0 vg
0
d 2k k d 2
0
d 1 ( ) d vg
0
1 dvg 2 vg d
0
d 2k k d 2
0
1 dvg 2 vg d
0
d 2k k d 2
光孤子的分类及形成机理
光孤子：时间孤子和空间孤子
时间光孤子形成机理：
群速度色散
克尔效应 强光
脉冲展宽 自相位调制 脉冲压缩 前沿传播慢， 后沿传播快
反常色散区:频率前沿 红移、后沿蓝移
脉冲展宽与脉冲压展宽
k n
c
1 k k0 k ( 0 ) k ( 0 ) 2 L 2
2 I n2l t 0 t
附加相位引起的频移 2 I n2l t 0 t I 0 0 脉冲前沿 t 脉冲后沿 反常色散
I 0 t
dvg 0
0
d 脉冲前沿速度变小，脉冲后沿速度变大
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。
光孤子传输原理及应用于光通信系统
光孤子传输原理及应用于光通信系统光通信作为一种高速、大容量、低损耗的通信方式，已成为当今通信领域的重要研究和应用方向。
为了进一步提高光通信系统的传输速率和容量，光孤子传输技术应运而生。
本文将介绍光孤子传输的原理及其在光通信系统中的应用。
一、光孤子传输原理光孤子是指一种具有自包络和自调制特性的光信号，其形态稳定且能够长距离传输而不发生形状变化。
光孤子传输是利用非线性效应和色散的互相抵消来实现的。
具体来说，光孤子传输通过与光纤中的色散和非线性效应相互作用来保持波形，从而抵消色散造成的信号失真。
在光孤子传输中，非线性效应主要包括自相位调制和光纤中的拉曼散射。
自相位调制是指光波在光纤中传输时，由于非线性光学效应而引起的相位调制。
而拉曼散射是指光波在光纤中发生的一种非线性散射现象，它可以在光纤中引入非线性光学效应，从而影响光信号的传输。
光孤子传输的关键是通过调整非线性效应和色散效应之间的相互作用，使其互相抵消，从而实现信号的长距离传输。
通过合理设计光纤结构和光子器件，可以减小信号的失真和衰减，提高传输距离和传输容量。
二、光孤子传输在光通信系统中的应用光孤子传输技术具有许多优点，使其成为光通信系统中的热门技术之一。
以下是光孤子传输在光通信系统中的几个重要应用。
1. 高速光传输：光孤子传输技术可以实现高速率的光信号传输。
由于光孤子的波形稳定性和自修正能力，可以使光信号在长距离传输时几乎不发生衰减和失真，从而实现高速率的数据传输。
这使得光孤子传输技术在宽带通信和数据中心互联中具有广阔的应用前景。
2. 光纤通道改善：光孤子传输技术可以在光纤通道中实现信号的长距离传输。
由于光孤子波形的自维持特性，可以抵消色散效应对信号的影响，从而显著改善光纤通道的传输性能。
这对于光通信系统中长距离传输和网络扩容具有重要意义。
3. 高容量光传输：光孤子传输技术具有较大的光信号容量。
通过合理设计传输系统结构和使用适当的光纤材料，可以实现光孤子传输信号的高容量传输。
光孤子原理与技术
光孤子原理与技术徐 登学号：050769摘要：光纤通信问世以来，一直向着两个目标不断发展。
一是延长中继距离，二是提高传输速率。
光纤的吸收和散射导致光信号衰减，光纤的色散使光脉冲发生畸变，导致误码率增高，限制通信距离。
低损耗光纤的研制、掺铒光纤放大器（EDFA ）的应用似乎已经解决了中继距离的问题。
那么如何解决光纤传输问题呢？密集波分复用（DWDM ）技术已成功地应用于光通信系统，极大地增加了光纤中可传输信息的容量。
随着波分复用信道数的增加，光纤中功率密度也大幅增加。
单通道速率的提高，光纤的非线性效应成为限制系统性能的主要因素。
这时，非线性效应的限制的解决成为关键问题。
光孤子的传输能解决上述问题。
本文主要论述了光孤子形成的基本理论，光孤子现象就是利用随光强而变化的自相位调制特性来补偿光纤中的群速度色散，从而使光脉冲波形在传输过程中维持不变，这样的脉冲就成为光孤子。
关键词：光孤子；GVD ；SPM ；1 光孤子形成原理1.1 非线性薛定谔方程NLSE光在非线性介质中的传播是用非线性薛定谔方程描述的，其推导出发点是麦克斯维波动方程：22020E D t μ∂∇-=∂ 1-1 光纤纤芯的折射率可写为： 202()()n n i n E ωχω=++ 1-2其中电场可表示为00(,)(,)(,)exp[()]E r t A z t F x y i t z ωβ=-- 1-3F （x ，y ）为光电场在截面上的分布函数，并满足下式：222()0t k F β∇+-= 1-4A(z ，t)能直接描述光波沿光轴方向的传播特性，故其成为主要研究对象。
将1-2～1-4带入1-1中，然后经过代换简化，可得非线性薛定谔方程（NLSE ）：22221122A A i i A A A z Tαβγ∂∂=-+-∂∂ 1-5 其中，α表示衰减系数，β2代表群速度色散，20effn cA ωγ=为非线性系数，等式中的Aeff 指纤芯的有效面积。
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……。
光孤子及光孤子通信技术
光孤子通信系统的构框图
光纤传输系统 EDFA 孤子源 调制 探测
隔离器
脉冲源 EDFA EDFA EDFA
光孤子通信系统工作原理
• 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉 冲（即光孤子流），作为信息载体进入光调制 器，使信息对光孤子进行调制。被调制的光孤 子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光 纤中传输。为克服光纤损耗带来的光孤子减弱， 在光纤线路上周期性地插入EDFA，向光孤子注 入能量，以补偿光纤传输而引起的能量损耗， 确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测 器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。
光孤子形成的原因
• 光孤子的形成是光纤的色散与非线性效 应相互平衡的结果。 • 色散——使经过光纤传输一定距离后的 光信号出现波形展宽的现象。 • 非线性效应——在入射光功率较强的条 件下，光纤折射率随光强度变化的现象 （这种折射率随光强变化的特性称为克 尔效应）。
光孤子通信的定义
• 光孤子通信——是利用光孤子作为载体 的通信方式。
光孤子通信优点
• • • • • 1．容量大 2．误码率低、抗干扰能力强 3．可以不用中继站 4．可以工作于高温状态 5．可以进行波分复用，提高码速
光孤子通信的发展
• 光孤子通信目前仍处于探索和实验研究 阶段 • 光孤子通信在超长距离、高速、大容量 的全光通信中，特别是在海底光通信系 统中。有着极大的发展前景
• 参考文献：
• • • • 冯俊生，卜胜利．光孤子通信fJ1．安微教育学院学报 陈金鹰．光孤子通信技术分析fJ]．现代通信 桂厚义．光孤子通信及其展望fJ1冈络通信． 吴锋，吴志刚．光孤子原理及其通信技术fJ1．现代物 理知识(增刊)
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光孤子及光孤子通信技术
光纤技术在有线通信工程中的应用
光纤技术在有线通信工程中的应用摘要：目前，光纤技术已经成为了有线通信工程中不可或缺的一部分，所优势明显，应用价值较高。
基于此本文主要介绍了通信工程中光纤技术的应用，分别从光孤子技术、光纤传感技术、光纤接入网技术、复用技术与色散技术等技术展开研究，以此为有线通信技术带来理论帮助。
关键词：光纤技术；有线通信工程；应用随着信息技术的快速发展，通信工程作为信息技术的一个重要应用领域，也得到了广泛的关注和发展。
在通信工程中，光纤技术作为传输媒介，以其高速率、高带宽、低损耗等特点，得到了广泛的应用。
1、光纤技术概述光纤技术是指利用光纤作为传输介质进行信息传输的技术。
它通过将信号转换为光信号，并利用光纤中的全反射现象进行传输，具有传输速度快、信号损耗小、抗电磁干扰能力强等特点，广泛应用于有线通信工程中[1]。
1.1 光纤通信的原理光纤通信利用光的特性进行信息传输，其原理是将电信号转换为光信号，然后通过光纤进行传输，再将光信号转换为电信号。
光纤中的光信号是通过光的全反射现象在光纤内部反复传输，从而实现长距离传输的。
1.2 光纤通信的优势与传统的有线通信方式相比，光纤通信具有以下优势：①传输速度快：光速比电磁波速度快，因此光纤通信的传输速度比传统有线通信方式快很多。
②信号损耗小：光纤的信号损耗远小于电缆，因此信号传输距离可以更远。
③抗电磁干扰能力强：光纤通信不受电磁干扰的影响，传输质量稳定。
④保密性强：光纤通信不易被窃听，信息传输更加安全可靠。
2、通信工程中光纤技术的应用2.1 光孤子技术及其应用光孤子技术是一种基于非线性光学效应的通信工程技术，它可以实现高速、远距离的光纤传输。
在光纤通信中，由于传输距离越长，信号衰减就越大，信号失真和抖动就越明显，因此需要采用一些技术来解决这些问题，而光孤子技术就是其中一种解决方案。
光孤子技术的核心思想是利用非线性效应来抵消线性衰减。
光纤传输中的信号是由光脉冲组成的，传输过程中会受到衰减和色散等影响，信号会逐渐变形和衰减。
光纤通信第8章 光纤通信新技术
8.1
相干光 通信
8.2
光孤子通 信技术
随着全球经济和科技等各个方面的飞速发展，经济全球化，社会信 息化趋势越来越明显，人类社会对通信质量和通信容量要求越来越高。
光纤通信技术自20世纪70年代诞生以来就在信息技术领域占有重要 地位.因此，人们在提高光纤通信传输速率、增大传输容量和延长中继 间距方面做着不懈的努力。21世纪光纤通信的进一步发展必须寻找新 的途径、采用新的技术，才能满足光纤通信向着高速化、智能化、网 络化的发展要求。
1)幅移键控（ASK）
图8-3 2ASK信号的波形
光载波的频率和相位不变，光载波的幅度随着数字基带信号改变，称 为幅移键控ASK。当信码为1时，ASK的波形是若干个周期的载波（图 中为一个周期）；当信码为0时，ASK信号的波形为零电平。ASK相干 通信系统必须采用外调制器来实现，如果采用直接光强调制，幅度变化 将引起相位变化。外调制器可以采用马赫曾尔德（MZ）干涉型调制器 。
本章主要介绍两种有发展前景和代表性的新技术，相干光通信技术 和光孤子通信技术。
8.1 相干光通信
目前已推广使用的光纤数字通信系统， 都属于直接光强度调制、直接光检测 系统。
这种方式的优点是：调制和解调简单，容易实现，因而成本较低； 缺点是：这种方式没有利用光载波的频率和相位信息，限制了系统性能的进
所谓外差检测或零差检测方式是根据本振光信号频率与接收光信 号频率是否相等划分的，前者是在光电变换过程中形成中频（其载 频等于本振光信号频率与接收光信号频率之差，差大于零)电信号， 后者本振光信号频率与接收光信号频率相等，光信号在光电变换过 程中直接转换成基带信号。
在光纤通信系统中采用外差或零差检测方式可以显著提高接收灵 敏度和选择性。
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四 结语
结语
Marconi 公司推出的基于孤子的SmartPhotoniX UPL160系统在澳洲的商用已 充分显示光纤孤子的大规模商用已为期不远。
现常见的光孤子功率放大器主要有集中式放大器和分布式放大器两类。
系统构成
集中式放大器的代表是EDFA( erbium doped fiber amplifier，掺饵光纤放大器),具有体积小、功耗低、品质高、使用 方便等优点,EDFA的诞生是光纤通信领域的重大突破,对光纤通信的发展有着重要意义。
分布式放大器的代表是SRS (stimulated Raman scattering,受激喇曼散射)放大器，当入射光功率较低时，散射主要来 源于光自身的散射效应;当不断提高入射光功率时，受激散射成为主导,形成了受激喇曼散射，具有单色性、相干性 和很高的方向性。
1981年，Hasegawa和Kodama提出将光纤中的孤子作为信息载体用于通信，构建一种新的光纤通信方案，称为光孤 子通信，它正是利用光纤色散与非线性相互作用平衡时实现的一种光纤通信方式。
光孤子形成原理如图所示。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km。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。
光孤子通信技术 系统构成及工作原理
目录
1
技术背景
2
基本原理
3
系统构成
4
结语
一 技术背景
技术背景
随着光通信技术的不断发展、光纤通信从出现到现在一共经历了五代。先后历经了 OM1、OM2、OM3、OM4、 到 OM5 光纤的优化升级，在传输容量和传输距离方面均取得了不断突破。由于特性和应用场景的需求，OM5 光纤 呈现出良好的发展势头。
光孤子通信的优点和潜在发展前景引起了业界的广泛关注，经过科学工作 者的不断努力,迄今为止的研究已为实现超高速、超长距离无中继光孤子通信 系统奠定了理论、技术和物质上的基础。当然实际的光孤子通信仍然存在许 多技术的难题，但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长 距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信、洲际通信系统中， 有着光明的发展前景。
实现年份
比特率
中继站间 距
工作波长
半导体器 件
第一代 （渐变折射率纤维）
1980 45Mb/s
10km
0.8um
GaAs
第二代 (单模光纤)
1985 100Mb/s ~
1.7Gb/s
50km
1.3um
In GaAsP
第三代
第四代
第五代
（单模激光器） （光放大器） （拉曼放大）
1990 10Gb/s
1996 10Tb/s
2002
40Gb/s ~ 160Gb/s
100km
>10000km
24000km ~ 35 ~ 1.62um
1.53um ~ 1.57um
技术背景
光纤现有窗口可容纳20000GHz带宽的信号，发挥其潜力可通过：提高信号的码率、用相干光通信、用掺铒光 纤放大器、采用光波频分复用技术、还可采用光孤子通信。
如图所示，(a)为光孤子，(b)为分散脉冲在反常色散介质中的时域波形。其中，红色箭头表示色散诱导的脉冲展 宽; 蓝色箭头表示在脉冲在异常色散介质中传播时产生脉冲压缩。
基本原理
非线性作用会部分抵消色散所带来的脉冲展宽，当两种效应达到平衡时，光脉冲在传播过程中脉冲宽度不再发生 变化，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样变成了理想的光脉冲，这种脉宽不再随传播过程变化的理想脉冲，称 为光孤子。
技术背景
技术背景
光脉冲在光纤的非线性和光纤的色散特性相互补偿下会形成光孤子。 光孤子脉冲可以在光纤中长距离传输而不发生畸变，因而可得到很高的码率，是高速度、长距离光纤通信的优 越方案。
二 基本原理
基本原理
光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“色散”。 “损耗”使光信号在传输时能量不断减弱； “色散”使光信号在传输时脉冲不断展宽。
光孤子的幅度随传输距离的增大呈现指数衰减，当损耗超过一定限度时，光孤子无法抵消色散效应，导致失去 相应特性，因此每隔一定距离进行光功率放大。
系统构成
在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继器无一例外的采用光/电/光变换的方式，导致通信系统的复杂化，进而 系统效率降低。
光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术( Wavelength Division Multiplexing，WDM)走 向实用化。
孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，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。
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。
光孤子通信： a) 容量大 b) 误码率低、抗干扰能力强 c) 可以不用中继站
EDFA在光传输线中用作升压器、内联放大器和前置放大器，如图所示。升压放大器安装在发射机之后，增加 发射到传输线的光功率。内联放大器放置在传输线上，以补偿光纤引起的衰减。前置放大器被放置在接收器的正 前方，这样就有足够的光功率发射到接收器。每一个EDFAs之间的典型距离是几十公里。
基本结构
在传输线路中，信号功率不是突变而是沿整个传输线路都得到不断放大的光纤放大器就是分布式光纤放大器， 基于受激喇曼散射的分布式光纤放大器就称为分布式喇曼(SRS)光纤放大器。
作为非线性光纤通信的光孤子通信相对目前运行线性通信系统 具有许多优势。这种优势随着通信系统码速率提高将逐步显示出 来。因此在未来超高速长距离跨海洋光纤通信系统和城市大容量 通信网的建立中，光孤子通信是一个重要的选择方式。
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系统构成
掺铒光纤放大器(EDFA)是一种用于C波段和L波段的光放大器，它们的光纤损耗在整个电信波长波段中最低。 EDFA发明于1987年，是目前长距离光通信中最常用的光纤损耗补偿技术。另一个重要的特点是EDFA可以同时放 大多个光学信号，因此可以很容易地与WDM技术相结合。
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。
基本原理
光纤的色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性的特性，光纤的非线性特性在光的强度变化时使 频率发生变化，从而使传播速度变化，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。
三 系统构成
系统构成
光孤子通信系统由光孤子激光器与脉冲器进行编码调制，通过光功率放大器(如EDFA)对传输过程中信号能力衰 耗进行补偿, 并在光纤中进行大容量、高速传播, 到对端通过解码、解调等方式还原传输信号的过程。光孤子通信系 统基本结构如图所示。
光孤子源是由光孤子激光器发射出的一连串光孤子序列构成的，是实现光孤子通信技术的关键。现有不同类型 的光孤子激光器如色心晶体孤子激光器、光纤光孤子激光器、转键孤子激光器、半导体孤子激光器等。