光孤子通信
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光孤子通信
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技术背景及基本原理 光孤子通信系统基本结构 关键技术 优点及发展前景
技术背景
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；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。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。 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 使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一个 孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、 超大容量的通信。
关键技术
通过研究，光孤子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，它使孤子通信的梦想推进到实际开发阶段。光 孤子在光纤中的传输过程需要解决如下问题：光纤损耗对光孤子传输的 影响，光孤子之间的相互作用，高阶色散效应对光孤子传输的影响以及 单模光纤中的双折射现象等。 由此需要涉及到的技术主要有光孤子源技术，光孤子放大技术和光 孤子开关技术。
Hot Tip
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
在设计全光开关时，采用光孤子脉冲作输入信号可使整个设计达到 优化，光孤子开关的最大特点是开关速度快（达10-2s量级），开关转 换率高（达100%），开关过程中光孤子的形状不发生改变，选择性能 好。光孤子开关的原理图可以用下图来表示。 从图中可以看到，入射信号等分为P0和P1两束分别进入干涉臂和参 考臂。没有控制脉冲入射时（P2=0），由于两臂长相等，所以两束光 P0和P1经过相同的光程在输出端具有相同的相位，从而产生相长干涉， 输出端的检偏器与信号光具有相同的偏振方向，所以有光束输出，此时 的开关就处于开状态。当有偏振方向与信号光相互垂直的孤子控制脉冲 P2入射时，与进入干涉臂的信号光P1发生相互作用，使P1产生一个非线 性相移φ（可以控制为π）。这样，在输出端P0和P1两束光由于相位差π 而产生相消干涉，所以没有光功率输出，此时开关处于关闭状态。
Control beam P1 Signal beam P0
P2
Interaction beams
P1,P2
polanzer Pout
Reference beam
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P0
由孤子相互作用的原理，两个不同传输速率的孤子相互作用过程中， 一个孤子支队另一个孤子的相位有影响（产生非线性相移），而对其功 率没有影响。所以相消干涉的两束光P0和P1具有相同的振幅，从而实现 信号脉冲的关断。从上述分析有，一个光孤子脉冲可以实现一次开关操 作。目前，光孤子控制脉冲可以达到ps量级，从而可以实现ps量级的开 关速度，这与ns量级的电光开关相比，有了质的提高，而且不需要很高 的工作电压。
1 光孤子通信系统基本结构
1.1光孤子的产生
光孤子通信问题最先是在在非线性光学研究中提出。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ps 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。
光孤子放大技术
全光孤子放大器对光信号可以直接放大，避免了传统光通信系统中 光/电、电/光的转换模式。它既可作为光端机的前置放大器，又可作为 全光中继器，是光孤子通信系统极为重要的器件。实际上，光孤子在光 纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗。不过光纤的损耗只降低孤子 的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这些损耗成为光孤子传 输的关键技术之一。有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的 光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器； 另一种是集总的光放大器法，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一种典型的分布式光放大器。 其优点是光纤自身成为放大介质，然而石英光纤中的受激拉曼散射增益 系数相当小，这意味着需要高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散 射的泵浦源，此外，这种放大器还存在着一定的噪声。集总放大方法是 通过掺铒光纤放大器实现的，其稳定性已得到理论和试验的证明，成为 当前孤子通信的主要放大方法。光放大被认为是全光孤子通信的核心问 题。
主要优点
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 子通信和线性光纤通信比较有一系列显著的优点： 一、传输容量比最好的线性通信系统大1个~2个数量级； 二、可以进行全光中继。由于孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化 为一个绝热放大过程，大大简化了中继设备，高效、简便、经济。 三、光孤子通信系统频带宽，增益高，而且从根本上改变了现有通 信系统的光电器件和光纤耦合锁带来的损耗。
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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1.2 光孤子通信系统
光孤子通信系统的基本结构如下图所示。发送端由孤子激光器产生 一串光孤子序列（即ps 级超短脉冲），通过调制器，电脉冲源信号对 光孤子流进行调制，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（EDFA）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。
发展前景
从1973年Hasegawa提出光孤子的概念以来，人们已经大量的从 理论和实验上对光孤子进行了大量的研究。 在光孤子通信领域，通常将基态光孤子用于通信，因为它在整个传 播的过程中没有任何变化。光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输， 而且完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制。光孤子通信可 进行全光中继，由于孤子脉冲的特殊性质是中继过程简化成一个绝热放 大过程，可以不用中继站。 随着人们对光孤子通信的认识的不断加深，相信这种新技术会逐渐 走向成熟，最终会走向实用化，为大家带来更好的服务。
光孤子通信
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技术背景及基本原理 光孤子通信系统基本结构 关键技术 优点及发展前景
技术背景
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；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。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。 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 使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一个 孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、 超大容量的通信。
关键技术
通过研究，光孤子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，它使孤子通信的梦想推进到实际开发阶段。光 孤子在光纤中的传输过程需要解决如下问题：光纤损耗对光孤子传输的 影响，光孤子之间的相互作用，高阶色散效应对光孤子传输的影响以及 单模光纤中的双折射现象等。 由此需要涉及到的技术主要有光孤子源技术，光孤子放大技术和光 孤子开关技术。
Hot Tip
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
在设计全光开关时，采用光孤子脉冲作输入信号可使整个设计达到 优化，光孤子开关的最大特点是开关速度快（达10-2s量级），开关转 换率高（达100%），开关过程中光孤子的形状不发生改变，选择性能 好。光孤子开关的原理图可以用下图来表示。 从图中可以看到，入射信号等分为P0和P1两束分别进入干涉臂和参 考臂。没有控制脉冲入射时（P2=0），由于两臂长相等，所以两束光 P0和P1经过相同的光程在输出端具有相同的相位，从而产生相长干涉， 输出端的检偏器与信号光具有相同的偏振方向，所以有光束输出，此时 的开关就处于开状态。当有偏振方向与信号光相互垂直的孤子控制脉冲 P2入射时，与进入干涉臂的信号光P1发生相互作用，使P1产生一个非线 性相移φ（可以控制为π）。这样，在输出端P0和P1两束光由于相位差π 而产生相消干涉，所以没有光功率输出，此时开关处于关闭状态。
Control beam P1 Signal beam P0
P2
Interaction beams
P1,P2
polanzer Pout
Reference beam
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P0
由孤子相互作用的原理，两个不同传输速率的孤子相互作用过程中， 一个孤子支队另一个孤子的相位有影响（产生非线性相移），而对其功 率没有影响。所以相消干涉的两束光P0和P1具有相同的振幅，从而实现 信号脉冲的关断。从上述分析有，一个光孤子脉冲可以实现一次开关操 作。目前，光孤子控制脉冲可以达到ps量级，从而可以实现ps量级的开 关速度，这与ns量级的电光开关相比，有了质的提高，而且不需要很高 的工作电压。
1 光孤子通信系统基本结构
1.1光孤子的产生
光孤子通信问题最先是在在非线性光学研究中提出。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ps 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。
光孤子放大技术
全光孤子放大器对光信号可以直接放大，避免了传统光通信系统中 光/电、电/光的转换模式。它既可作为光端机的前置放大器，又可作为 全光中继器，是光孤子通信系统极为重要的器件。实际上，光孤子在光 纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗。不过光纤的损耗只降低孤子 的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这些损耗成为光孤子传 输的关键技术之一。有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的 光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器； 另一种是集总的光放大器法，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一种典型的分布式光放大器。 其优点是光纤自身成为放大介质，然而石英光纤中的受激拉曼散射增益 系数相当小，这意味着需要高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散 射的泵浦源，此外，这种放大器还存在着一定的噪声。集总放大方法是 通过掺铒光纤放大器实现的，其稳定性已得到理论和试验的证明，成为 当前孤子通信的主要放大方法。光放大被认为是全光孤子通信的核心问 题。
主要优点
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 子通信和线性光纤通信比较有一系列显著的优点： 一、传输容量比最好的线性通信系统大1个~2个数量级； 二、可以进行全光中继。由于孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化 为一个绝热放大过程，大大简化了中继设备，高效、简便、经济。 三、光孤子通信系统频带宽，增益高，而且从根本上改变了现有通 信系统的光电器件和光纤耦合锁带来的损耗。
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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1.2 光孤子通信系统
光孤子通信系统的基本结构如下图所示。发送端由孤子激光器产生 一串光孤子序列（即ps 级超短脉冲），通过调制器，电脉冲源信号对 光孤子流进行调制，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（EDFA）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。
发展前景
从1973年Hasegawa提出光孤子的概念以来，人们已经大量的从 理论和实验上对光孤子进行了大量的研究。 在光孤子通信领域，通常将基态光孤子用于通信，因为它在整个传 播的过程中没有任何变化。光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输， 而且完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制。光孤子通信可 进行全光中继，由于孤子脉冲的特殊性质是中继过程简化成一个绝热放 大过程，可以不用中继站。 随着人们对光孤子通信的认识的不断加深，相信这种新技术会逐渐 走向成熟，最终会走向实用化，为大家带来更好的服务。