光孤子通信
本科光纤通信试题答案(卷一)
1) 为了得到较高的信噪比，对光接收机中的前置放大器的要求是______。
A. 高增益B. 低噪声C. 低增益、低噪声D. 高增益、低噪声2) 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时输出的光为______，这个电流称为______电流。
A. 自发辐射光，阈值B. 自发辐射光，阀值C. 激光，阈值D. 激光，阀值3) SDH线路码型一律采用______。
A. HDB3码B. AIM码C. NRZ码D. NRZ码加扰码4) 在SiO2单模光纤中，材料色散与波导色散互相抵消，总色散等于零时的光波长是______。
A. 0.85 μmB. 1.05 μmC. 1.27 μmD. 1.31 μm5) 在阶跃型光纤中，导波的传输条件为______。
A. V＞0B. V＞VcC. V＞2.40483D. V＜Vc6) DFA光纤放大器作为光中继器使用时，其主要作用是______。
A. 使信号放大并再生B. 使信号再生C. 使信号放大D. 降低信号的噪声7) 目前，掺铒光纤放大器的小信号增益最高可达______。
A. 40 dB左右B. 30 dB左右C. 20 dB左右D. 10 dB左右8) 对于2.048 Mb/s的数字信号，1 UI的抖动对应的时间为______。
A. 488 nsB. 2048 nsC. 488 μsD. 2048 μs9) 通常,影响光接收机灵敏度的主要因素是______。
A. 光纤色散B. 噪声C. 光纤衰减D. 光缆线路长度10) 在薄膜波导中，导波的基模是______。
A. TE0B. TM0C. TE1D. TM12. 写出下列缩写的中文全称（共10分，每题1分）1)GVD (群速度色散)2)STS (同步转移信号)3)ISDN (综合业务数字网)4)AWG (阵列波导光栅)5)OC (光载波)6)WGA (波导光栅路由器)7)GIOF (渐变折射率分布)8)OTDM (光时分复用)9)SCM副载波调制（SCM，Subcarrier modulation）。
光纤通信最新技术
光纤通信最新技术对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标。
目前主要的光纤通信技术有以下几种：一：波分复用技术波分复用（WDM）是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器（亦称合波器，Multiplexer）汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器（亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。
这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。
WDM波分复用并不是一个新概念，在光纤通信出现伊始，人们就意识到可以利用光纤的巨大带宽进行波长复用传输，但是在20世纪90年代之前，该技术却一直没有重大突破，其主要原因在于TDM的迅速发展，从155Mbit/s到622Mbit/s，再至［|2.5Gbit/s系统，TDM速率一直以过几年就翻4倍的速度提高。
人们在一种技术进行迅速的时候很少去关注另外的技术。
1995年左右,WDM系统的发展出现了转折，一个重要原因是当时人们在TDM10Gbit/s技术上遇到了挫折，众多的目光就集中在光信号的复用和处理上，WDM系统才在全球范围内有了广泛的应用。
随着波分复用技术从长途网向城域网扩展，粗波分复用CWDM 应运而生。
CWDM的波长间隔一般为20nm，以超大容量、短传输距离和低成本的优势，广泛应用于城域光传送网中。
目前为了进一步提高光通信系统的传输速率和容量，还提出了将波分复用和光时分复用OTDM相结合的方式。
把多个OTDM信号进行波分复用。
从而大大提高传输容量。
只要WDM和OTDM两者适当的结合，就可以实现Tbit/s以上的传输，并且也应该是一种最佳的传输方式，因此它也成为未来高速、大容量光纤通信系统的发展方向。
实际上大多数超过3bit/s的传输实验都采用WDM和OTDM相结合的传输方式。
二：光纤接入技术随着通信业务量的增加，业务种类也不断丰富，人们不仅需要传统的话音服务，而对高速数据、高保真音乐、互动视像等业务的需求越来越迫切。
光纤通信系统中光孤子传输特性分析
ABSTRACTdispersion.In the range of 20Cβ>,chirped soliton pulse has broadened faster than non-chirped pulse.While in the range of 20Cβ<the initial phase of the transmission, a brief pulse compression process, and with the propagation distance, due to the major role in the rapid dispersion broadening ,also studied the effects of polarization mode dispersion characteristics of optical soliton transmission as the soliton is a result of nonlinear effect and second-order GVD balance.When there is PMD,delay differece produces between the two polarization components.With distance increasing ,soliton pulse is broadened and peak is shifted .Soliton pulses in the formation of a small dispersive wave.The original balance is destroyed, leading to the broadening of soliton pulse. Combined with synchronous modulation technique and sliding-frequency filtering rechnique discussed aboved to ristrict the negative factors inhibiting the program,and making use of synchronous modulation of the PMD compensation , the pulse transmission distance is doubled and the transmission performance of the pulse is improved effectively.[Key words]: optical soliton communication, fiber nonlinear, initial chirp, Polarization Mode Dispersion（PMD）第一章绪论第一章绪论1.1孤波现象及孤立子概念的形成孤子的发现最初还是从水波的传播联想到的。
光孤子通信研究的现状与展望
-"%9"% :&’2 效 应 ! 减 少 光 纤 色 散 与
非线性带来的影响!因而它是下一 代高速光纤通信系统模式的最佳选 择"
:&’2 效 应 ! 使 脉 冲 时 间 抖 动 减 小 !
也能够抑制四波混频!有利于孤子 的传输"
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光孤子通信研究现状
在 +JMJ 年 长 距 离 的 光 孤 子 传 输
%"" #$ 的 水 平 " &’()*’ 等 人 的 实 验
还重点研究偏振孤子的相互作用! 实验表明相互垂直偏振孤子的互作 用远小于平行偏振孤子的互作用" 日 本 +,, -./’*’ 等 人 利 用 东 京 都市光纤网 0 该光纤网利用色散位移 光 纤 组 成 1 进 行 了 2" 3456 7 8 光 孤 子 通信实验!为了使平均色散较小! 采 用 了 色 散 补 偿 技 术 ! 使 ! 98 孤 子 无 误 码 传 输 距 离 超 过 : """ #$ " 实 验 安 排 在 &56. $ ;68<=.$5>’ $ -’=. 和
材 料 的 零 色 散 点 波 长 为 +; C? !5 " 拉 成单模光纤后!由于波导色散存 在 ! 使 零 色 散 点 移 到 +; <+ !5 " 虽 然 在 +; <+ !5 附 近 也 是 光 纤 一 个 低 损 耗 区 ! 但 是 比 起 +; == !5 处 其 损 耗 值大了一倍"另外掺铒光纤放大器
8BC& 0 @" 3456 7 8 F G 信 道 1 孤 子 信 号
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 。
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。
2. 光孤子通信系统组成
孤子源
调制
EDFA
脉冲源
LD
隔离器
光纤传输系统
隔离器
接收机
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 ……
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。
光孤子的形成及光通信中应用
摘要孤子现象存在于众多领域中，自孤子波在十九世纪被发现以来，孤子理论始终是数学、物理学和通信等领域中重要的研究方向。
光孤子的形成是光脉冲线性的时间域色散被非线性的自位相调制过程平衡。
光孤子不仅仅是一个重要的科学研究方向，它同时具有重要的应用前景，可能成为新一代的光通信传输模式和高速全光开关。
本文详细介绍了光孤子的基本理论及处理方法，光孤子通信的基本原理及其发展现状。
基于光孤子通信系统中孤子脉冲的传输所满足的变系数非线性薛定愕方程，研究了孤子脉冲的传输系统的关键技术。
主要的技术有:光孤子源：分析了三阶色散和五阶饱和吸收等高阶非线性效应对被动锁模光纤环形孤子激光器的稳定性的影响, 通过路径平均非线性薛定谔方程的求解,获得了被动锁模光纤环形孤子激光器稳定运行的条件。
用绝热近似法以及通过主动锁模光纤环形孤子激光器稳态锁模方程的求解，获得了这种激光器输出孤子脉宽的近似表达式和精确表达式，并对它们的适用范围进行了比较。
分析了一种新型的主被动锁模光纤环形孤子激光器.通过路径平均非线性薛定得方程的求解.获得了激光器稳定运行的条件，并作了数值模拟。
脉冲在色散缓变光纤中的传输特性和规律:光纤损耗引起孤子幅值指数下降，指数缓变色散起到放大作用，正好能够补偿光纤损耗引起的幅值下降；光纤色散变化参量引起孤子中心位置随传输距离作非线性漂移。
光孤子放大器：用常规掺铒光纤放大器放大超短光孤子存在一个重大困难,就是在放大过程中光纤非线性效应会引起孤子波形及频谱畸变,使得输出脉冲不再具有孤子特性,从而影响系统性能。
提出一种利用掺铒光纤环镜放大超短光孤子的新方法。
AbstractSoliton phenomena exist in many fields, from the soliton wave was found in the nineteenth century, since the soliton theory has always been mathematics, physics and important areas of communication research. The formation of soliton pulse dispersion is linear time-domain nonlinear process of self phase modulation balance. Soliton is not only an important research direction, it also has important applications, may become a new generation of optical communication transmission mode and high-speed all-optical switch. This paper describes the basic theory of optical solitons and treatment, the basic principle of optical soliton communication and its development status. Optical soliton communication systems based on soliton pulse which is satisfied by the transmission of variable coefficient nonlinear Schrödinger equation stunned to study the soliton transmission system of key technologies. The main technologies are:Soliton Source: analysis of five third-order dispersion and higher-order nonlinear effects such as saturable absorber for passive mode-locked fiber ring soliton laser stability, the average through the path of solving the nonlinear Schrödinger equation to obtain the passive lock mode fiber ring soliton laser stable operation conditions. Adiabatic approximation and by using active mode-locked fiber ring soliton laser mode-locked steady-state equation to obtain the laser output soliton pulse width of this approximate expression and precise expression, and their scope of application were compared. A new analysis of passive mode-locked fiber ring soliton laser. Through the path set at the average nonlinear Schrodinger equation. Obtain the conditions for stable operation of the laser and the numerical simulation. Pulse in dispersion-decreasing fiber in the transmission and law: the fiber loss caused by soliton amplitude fell, the index slowly varying dispersive amplification play, just to compensate for fiber loss due to decline in amplitude; fiber dispersion parameters caused changes in the center of soliton with the transmission distance for linear drift.Soliton amplifiers: the conventional erbium-doped fiber amplifier there is an ultrashort optical soliton major difficulties is that in the amplification process may cause nonlinear effects in optical fiber soliton waveform and spectrum distortion, making the output pulse is no longer with the solitons, thus affecting the system Performance. A proposed use of erbium-doped fiber loop mirror to enlarge A new method of ultrashort optical solitons.目录第一章概述 (1)1.1光孤子的基本概念 (1)1.2光孤子的特点 (2)1.3 光孤子的研发历程 (2)第二章光孤子传输基础及其系统关键技术 (5)2.1光孤子传输基础 (5)2.1.1光孤子形成的机理 (5)2.2 光孤子传输原理 (5)2.2.1光纤中光孤子传输遵循的非线性薛定愕方程 (8)2.2.2光孤子传输的基本性质 (10)2.2.3影响光纤孤子传输特性和传输容量的主要因素 (11)2.3 光孤子传输系统及其关键技术 (14)2.3.1 光孤子传输系统 (14)2.3.2 系统的关键技术 (15)2.4 光孤子传输系统实验研究现状及展望 (17)第三章光孤子源 (18)3.1光孤子源实验研究 (18)3.1.1. 增益开关半导体激光器 (18)3.1.2 F-P滤波器 (21)3.1.3 掺饵光纤放大器 (22)3.2 被动锁模光纤环形孤子激光器 (22)3.2.1被动锁模光纤环形孤子激光器的结构和工作原理 (23)3.2.2激光器稳定性的分析 (24)3.3 主动锁模光纤环形孤子激光器 (27)3.3.1主动锁模光纤孤子激光器的结构 (27)3.3.2主动锁模孤子激光器输出的孤子脉冲宽度与其结构参数的关系 (28)3.4 主被动锁模光纤环形孤子激光器的结构 (33)3.4.1 数学模型 (34)3.4.2 数值模拟 (35)3.4.3 激光器稳定性的分析 (36)第四章光孤子放大器 (40)4.1 掺饵光纤放大器（EDFA） (40)4.2掺饵光纤放大器的一般特性 (41)4.3 超短光孤子在掺铒光纤放大器中的放大 (42)4.4 超短光孤子在放大环镜中的放大 (44)总结 (49)致谢 (50)参考文献 (51)第一章概述1.1光孤子的基本概念"孤子"是英文soliton的译名，最早是英国海军工程师于1834年偶然发现的船舶在河流中航行时形成的一种特殊的形状不变的水波，称为孤子波（solitorywave）。
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》习题及答案
光栅技术
第二章部分
2.1、光纤的结构由哪几部分组成？各有什么作用？ 答：光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的 折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射 面和光隔离，并起一定的机械保护作用。 2.2、简述光纤的类型包括哪几种以及各自特点？ 解：实用光纤主要有三种基本类型： 1）、突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF）， 纤芯折射率为 n1 保持不变，到包层突然 变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a=50~80 μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播， 特点是信号畸变大。 2）、渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF）， 在纤芯中心折射率最大为 n1，沿径向 r 向外围逐渐变小，直到包层变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a 为 50μm，光线以正弦形 状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 3）、单模光纤（Single Mode Fiber, SMF），折射率分布和突变型光 纤相似，纤芯直径只有 8~10 μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光 纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 2.3、色散的产生以及危害？ 答：由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号能量的各种模式成分，在传输过程中， 因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散；光纤色散 的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。 2.4、光缆的结构分类？ 答：(1) 层绞式结构：层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。 (2) 骨架式结构：架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V 形、U 形 或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置 5~10 根一次涂覆光纤。 (3) 束管式结构：束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整 个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。 (4) 带状式结构：带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后 将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。 2.5、光缆的种类？ 答：根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用
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
光纤通信中应用的新技术
一﹑光纤通信中应用的新技术1.1光弧子通信1844年，苏格兰海军工程师约翰·斯科特·亚瑟对船在河道中运动而形成水的波峰进行观察，发现当船突然停止时，原来在船前被推起的水波依然维护原来的形状、幅度和速度向前运动，经过相当长的时间才消失。
这就是著名的孤立波现象。
孤立波是一种特殊形态的波，它仅有一个波峰，波长为无限，在很长的传输距离内可保持波形不变。
人们从孤立波现象得到启发，引出了孤子的概念，而以光纤为传输媒介，将信息调制到孤子上进行通信的系统则称作光孤子传输系统。
光脉冲在光纤中传播，当光强密度足够大时会引起光脉冲变窄，脉冲宽度不到1个Ps，这是非线性光学中的一种现象，称为光孤子现象。
若使用光孤子进行通信可使光纤的带宽增加10～100倍，使通信距离与速度大幅度地提高。
于常规的线性光纤通信系统而言，限制其传输容量和距离的主要因素是光纤的损耗和色散。
随着光纤制作工艺的提高，光纤的损耗已接近理论极限，因此光纤色散便成为实现超大容量光纤通信亟待解决的问题。
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。
由光纤的非线性所产生的光孤子可抵消光纤色散的作用。
因此，利用光孤子进行通信可以很好地解决这个问题。
光纤的群速度色散和光纤的非线性，二者共同作用使得孤子在光纤中能够稳定存在。
当工作波长大于1．3¨m时，光纤呈现负的群速度色散，即脉冲中的高频分量传播速度快，低频分量传播速度慢。
在强输入光场的作用下，光纤中会产生较强的非线性克尔效应，即光纤的折射率与光场强度成正比，进而使得脉冲相位正比于光场强度，即自相位调制，这造成脉冲前沿频率低，后沿频率高，因此脉冲后沿比脉冲前沿运动得快，引起脉冲压缩效应。
当这种压缩效应与色散单独作用引起的脉冲展宽效应平衡时即产生了束缚光脉冲——光孤子，它可以传播得很远而不改变形状与速度。
光孤子通信的关键技术是产生皮秒数量级的光孤子和工作在微波频率的检测器。
光孤子通信
光孤子通信的优点及应用前景
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
课外延展
克尔效应：指与电场二次方成正比的电感应双折射现象
放在电场中的物质，由于其分子受到电力的作用而发生 取向(偏转)，呈现各向异性，结果产生双折射，即沿两个 不同方向物质对光的折射能力有所不同。 这一现象是 1875年J.克尔发现的。后人称它为克尔效应。
光孤子通信
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。
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—光孤子组
光孤子定义
• 孤子（Soliton）——又称孤立波(Solitary wave)，
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。有 人把孤子定义为：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。
• 光孤子——是经光纤长距离传输之后，其幅度和波
光孤子通信系统的构成框图
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。
光纤通信
发送：CPU通过专用 IC芯片将并行数据串行化，并根据通信格式插入相应位码（起始、停止、校验位等）， 由输出端 TXD将信号送入光纤接插件（即定插头），再由光纤接插件中的光源进行电—光转换，转换后的光信号 通过光纤动插头向光纤发送光信号，光信号在光纤中向前传播。
接收：来自光纤的光信号经光纤接插件的动插头，向定插头的接收器发送，接收器将接受到的光信号进行 光—电还原，从而得到相应的电信号，该电信号送入到专用的 IC芯片的RXD输入端，经专用 IC芯片将串行数据 改为并行数据后，再向 CPU传送。
光纤通信
专业名称
01 专业概述
03 发展
目录
02 专业设置 04 趋势
光纤通信技术（optical fiber communications）从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一， 在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信 史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。
从事光纤通信线路工程和接入网的设计、施工、概预算编制和工程监理；光纤通信设备的安装、调试和操作 维护；通信网络规划设计、施工、监理等工作。
发展
光纤通信是现代通信网的主要传输手段，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光 纤．采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力 于发展光纤通信．中国光纤通信已进入实用阶段．
专业设置
主要课程
培养Байду номын сангаас标
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本专业培养能从事光纤网络工程的规划建设、SDH系统的调测维护、电信核心网络和接入网络的工程维护等 工作的应用型人才。具有较强的电缆、光缆设计与施工、线路规划概预算的能力以及在光纤通信设备安装、调试 与维护及其相关领域从业的综合职业能力。
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。
光纤技术基础知识单选题100道及答案解析
光纤技术基础知识单选题100道及答案解析1. 光纤通信中，使用的光波波长通常在（）A. 0.85μm 附近B. 1.31μm 附近C. 1.55μm 附近D. 以上都是答案：D解析：光纤通信中常用的光波波长有0.85μm、1.31μm 和 1.55μm 附近。
2. 光纤的主要成分是（）A. 铜B. 玻璃C. 石英D. 塑料答案：C解析：光纤通常是以石英为主要成分制成的。
3. 以下哪种不是光纤的分类（）A. 单模光纤B. 双模光纤C. 多模光纤D. 塑料光纤答案：B解析：光纤分为单模光纤和多模光纤，没有双模光纤的分类。
4. 单模光纤的特点是（）A. 传输距离短B. 带宽小C. 适用于短距离通信D. 芯径小答案：D解析：单模光纤芯径小，传输距离长，带宽大，适用于长距离、高速率通信。
5. 多模光纤的纤芯直径一般为（）A. 50μmB. 62.5μmC. 9μmD. 10μm答案：B解析：多模光纤的纤芯直径通常为50μm 或62.5μm。
6. 光纤的损耗主要来源于（）A. 吸收损耗B. 散射损耗C. 弯曲损耗D. 以上都是答案：D解析：光纤的损耗包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。
7. 以下哪种不是减少光纤损耗的方法（）A. 选择优质材料B. 优化制造工艺C. 增加光纤长度D. 改善连接质量答案：C解析：增加光纤长度会增加损耗，而不是减少损耗。
8. 光纤的数值孔径反映了（）A. 光纤的集光能力B. 光纤的传输能力C. 光纤的损耗大小D. 光纤的带宽答案：A解析：数值孔径反映了光纤的集光能力。
9. 以下哪种是光纤通信的优点（）A. 保密性好B. 成本高C. 易受电磁干扰D. 维护困难答案：A解析：光纤通信保密性好，不易受电磁干扰，成本逐渐降低，维护相对简单。
10. 光纤通信系统中，光发射机的作用是（）A. 将光信号转换为电信号B. 将电信号转换为光信号C. 放大光信号D. 整形光信号答案：B解析：光发射机将电信号转换为光信号。
研究报告光孤子
事物都是在发展中前进，光通信在超长距离、超大容量发展进程中，遇到了光纤损耗和色散的问题，限制其发展空间。
科学家和业内人士受自然界的启发，发现了特殊的光孤子波，人们设想的在光纤中波形、幅度、速度不变的波就是光孤子波。
利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统，真正做到全光通信，无需光、电转换，可在越长距离、超大容量传输中大显身手，是光通信技术上的一场革命。
1 孤立子与光孤子人们对孤立子的研究，可以追溯到1834年 ]，英国海军工程师J．s．Russell沿运河行走时偶然观察到一种奇特的水波，这种水波“平滑而轮廓分明”，并在快速行进过程中其形状、幅度和速度都基本保持不变，他认为这种波是流体力学中的一个稳定解，称它为“孤立波(solitary wave)99 o 1896年，荷兰数学家Korteweg和De Vries研究了浅水波的波动，建立了著名的KDV方程，并得到了与J．S．Russell观察相一致的形状不变的孤立波解。
1965年，美国Bell实验室的物理学家N．Zabusky和数学家M．D．Kruskal在研究等离子体孤立波的碰撞过程时发现：孤立波在相互碰撞后，除相位外，仍然保持其形状、幅度和速度不变，并遵循动量和能量守恒定律，类似于粒子的特性，故被称为“孤立子”或“孤子(soliton)”。
1973年，A．Hasegawa和F．Tappert_2J 首次提出了“光孤子(optical soliton)”的概念，即光孤子与其他同类光孤子相遇后，维持其幅度、形状和速度不变，并从理论上证明了光纤中的色散效应和非线性自相位调制效应达到平时，光纤中可以传播无色散的光脉冲。
1980年，F．Mollenauer_3 等人用实验方法在700 m光纤中观察到了脉宽为7 ps的光孤子，并提出将光纤中的光孤子用作传递信息的载体，构建一种新的光纤通信系统方案，称为光纤孤立子通信，或简称为光孤子通信。
2 光孤子形成的物理机制单模光纤中有2种最基本的物理效应，即群速度色散(GVD：group velocity dispersion)效应和自相位调制(SPM：self—phase modulation)效应。
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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2010051060023
2013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。
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。
1980年，贝尔实验室的Mollenauer 等人用实验方法在光纤中观察到了孤子脉冲。
3.光孤子通信系统
3.1光孤子通信的基本原理
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，光孤子通信的基本原理如图1所示。
光孤子源产生光孤子脉冲流，要传输的信号通过调制器对光孤子流进行调制，将信号加载于光孤子流上，然后经功率放大器放大后藕合到光纤中传输。
沿途有若干线路放大器以补偿光孤子的能量衰减，同时平衡色散效应与非线性效应，保证光孤子的幅度和形状稳定不变。
接收端得到的光孤子载波经放大、整形和解调后还原为原始信号。
光孤子是理想的光脉冲，其脉冲宽度窄至皮秒级。
这样，邻近的光脉冲间隔很小，不至于发生脉冲重叠，产生干扰。
光孤子通信的传输容量极大，可以说是几乎没有限制。
传输速率也很高，可达每秒兆比特，如此的高速意味着只需100秒就可以将世界上最大的图书馆—美国国会图书馆的所有藏书全部传送完毕。
3.2关键技术
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。
光孤子源是由孤子激光器产生的。
理论分析表明，要使光孤子在光纤中稳定传输，输出的光脉冲必须是严格的双曲正割形，且振幅满足一定的条件。
目前研发的光孤子源有很多种类，如：喇曼孤子激光器、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
所使用的孤子源大多是采用重发频率高、体积小的增益开关分布反馈半导体激光器或锁模半导体激光器。
虽然它们的输出光脉冲是高斯形且功率较小，但经光纤放大器放大后，就可获得足以进行光孤子传输的峰值功率。
另外，高斯光脉冲在色散光纤中传输时，光脉冲中心部分会在非线性自相位调制与色散效应共同作用下，逐渐演化为双曲正割形。
理论和实验也都证明了光孤子传输对波形的要求并不严格。
从理论上讲，理想的孤子可无失真地远距离传输，但实际上光纤中是存在着光损耗的，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。
因此补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。
目前，补偿孤子能量的方法有2种。
1.采用分布式光放大器法，即采用受激喇曼散射放大器或分布式掺饵光纤放大器。
分布放大是指光孤子在沿整个光纤的传输过程中得以放大，此法通过向光纤注入泵浦光产生喇曼效应，以获得的喇曼增益抵消光纤的损耗；2.集总光放大器法，即采用掺饵光纤放大器或半导体激光放大器。
集总光孤子放大是将光放大器周期性地插入光纤光路中，通过调整其增益来补偿2个光放大器之间的光纤损耗，从而使光纤非线性效应所产生的脉冲压缩恰好能补偿光纤群色散所带来的影响。
利用受激喇曼散射效应的光放大器是典型的分布式光放大器，它的优点是光纤自身可以作为放大介质，然而石英光纤中的受激喇曼散射增益系数非常小，这就需要用高功率激光器作为光纤中产生受激喇曼散射的泵浦光源，另外，此放大器还存在一定的噪声。
集总放大方法是由掺饵光纤放大器实现的，其稳定性在理论和实验上均己得到证明，是当前孤子通信使用的主要放大方法。
4.光孤子通信的发展前景
孤子脉冲的特殊性质决定了它应用在通信领域的优越性。
与线性光纤通信比较，光孤子通信具有一系列显著的优点：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，制成特殊的传感器;5.可以进行波分复用和偏振复用，提高码速。
孤子通信的这些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，迄今为止的研究己为实现超高速、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。
10 s)级光孤子通信实用化基础
未来光孤子通信的发展前景是:1.在ps( 12
上研究和开发多波长fs(15
10 s)级光孤子通信，进一步提高传输码速率和传输距离，其期望速率提高到100 Gbit/s以上，直通距离提高到104 km以上; 2.在高性能EDFA方面，获得低噪声、高输出EDFA; 3.利用1.3um窗口正色散区比负色散区大的特点，研究1.3um波长的光孤子通信; 4.利用高阶光孤子实现多值传输。
当然，实际的光孤子通信还存在着许多技术上的难题，光孤子通信目前仍处于探索和实验研究阶段，但鉴于目前己取得的突破性进展，我们有理由相信，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。