光孤子通信
光孤子通信
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—光孤子组
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。
形宽度都不变的超短光脉冲（ps数量级）。
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）。
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。
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
光电子器件在光孤子通信的研究考核试卷
B.光调制器
C.光放大器
D.光滤波器
18.以下哪些技术可用于光电子器件的测试和表征？（）
A.光谱分析
B.时域分析
C.频域分析
D.空间域分析
19.以下哪些器件属于光滤波器类型？（）
A.窄带滤波器
B.带通滤波器
C.带阻滤波器
D.光放大器
20.以下哪些因素会影响光孤子通信系统中光脉冲的定时抖动？（）
6. B
7. C
8. C
9. D
10. A
11. D
12. A
13. A
14. C
15. C
16. C
17. D
18. B
19. C
20. C
二、多选题
1. ABC
2. ABC
3. AD
4. ABC
5. ABC
6. A
7. AB
8. CD
9. ABCD
10. ABC
11. ABCD
12. ABCD
13. ABC
A.适当增加光纤色散
B.减小光脉冲峰值功率
C.使用分布式反馈技术
D.增加光纤长度
15.以下哪些器件属于光耦合器类型？（）
A.纤耦合器
B.自由空间耦合器
C.光开关
D.光分束器
16.在光孤子通信系统中，以下哪些因素会影响光放大器的性能？（）
A.增益饱和
B.噪声
C.色散
D.非线性效应
17.以下哪些光电子器件可以实现光信号的波长转换？（）
7.光孤子通信系统中，光纤的损耗对系统的性能没有影响。（）
8.光电子器件中的光放大器可以用于增加光信号的功率。（）
9.光孤子通信系统中，使用多模光纤可以实现更长的传输距离。（）
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）。
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
光纤通信技术总结
光纤通信技术总结一绪论1.1966年英籍华裔学者高琨和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。
2.光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85?m发展到1.31?m，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。
3.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。
4.电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。
5.直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，是输出光随电信号变化而实现的，这种方案技术简单、成本较低、容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。
外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的，这种调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高。
6.目前，使用光纤通信系统普遍采用直接调制——直接检测方式，光接收机最重要的特性参数是灵敏度。
7.光纤通信系统包括电信号处理部分和光信号传输部分。
光信号传输部分主要由基本光纤传输系统组成，包括光发射机、光纤传输线路和光接收机三个部分。
光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
二光纤和光缆1、光纤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，并起一点的机械保护作用。
2、光纤类型：突变型多模光纤、渐变性多模光纤、单模光纤等等 3、损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输带宽。
色散是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。
色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。
模式色散：是由于不同模式的传播时间不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。
材料色散：是由于光纤的折射率随波长而变化，以及模式内部不同波长成分的光，其传播时间不同而产生的。
光孤子通信
２ ０ ０ ２年 １ １月
安 徽 教 育 学 院 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏｆ Ａｎ ｉ Ｉ ｔ ｔ ｔ ｕｃ ｔｏ ｏ ｒ ａ ｈｕ ｎｓ ｉｕ ｅ ｏｆ Ｅｄ ａ ｉ ｎ
ＮＯＶ． ０ ２ ０２
第 ２ 卷 第 ６期 Ｏ
变 。但 直 到 了 ２ ５年 前 ，人 们 才 从 孤 立 波 现 象 得 到 启 发 ，引 出 了孤 子 的 概 念 。
设波长为 ， 光强为Ｉｌ 的光脉冲在长度为 Ｅ
Ｌ 的 光 纤 中 传 输 ， 光 强 感 应 的 折 射 率 变 化 为 则
Ａ （ ： （Ｉ， ｎｔ 万２Ｅ ｆ 由此引起的相位变化为： ） ｌ ）
一
率 不 同 ， 在 介 质 中 的 传 播 速 度 也 不 同 。 当 工 作 波 长 大 于 １ ３／ 时 ， 光 纤 呈 现 负 的 群 速 度 色 ． ｄｍ 散 ， 即 脉 冲 中 的 高 频 分 量 传 播 速 度 快 ， 低 频 分
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
量 传播 速度 慢 ，使 得 脉 宽 变 宽 。 在 强 输 入 光 场 的 作 用 下 ， 光 纤 中 会 产 生 较 强 的 非 线 性 Ｋ ｒ ｅｒ
Ｖ Ｏ ． Ｏ． Ｏ ６ １２ Ｎ ．
光 孤 子 通 信
冯 俊 生
（ ， 徽教 育 学 院现教 中心， 徽 １安 安 合肥 ２ ０６ ； ０１ ３
卜胜 利
２ 安徽 大 学物理 系， 微 ， 安 合 肥 ２ ０ ３ ） ０ ９ ３
［ 摘 要 】 文 介 绍 了 光 孤 子 通 信 的 产 生 、 组 成 、 和 在 国 内 外 的 进 展 ， 以 及 光 孤 子 通 信 的 优 越 性 和 发 展 前 景 ． 本
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光孤子通信——光纤通信的革命
• • • • • • 孤子 色散和自相位调制 光孤子波形 关键技术 优越性 前景和面临问题
J.Scott Russell 发现，科特韦格(Korteweg)和德弗里斯(de Vries)证实（ kdv） 孤立波：传播过程中保持波形和速度不变；波幅愈高，其传播速度愈快 孤子：两个孤立波碰撞时互相穿透且维持原来的波形和速度。 物理学家，认为只要波的能量有限，且分布在有限的空间或时间范围 内，即使在传播过程中波形发生变化，也都称为孤立子。
优越性
• 提高了传输容量和距离 ：脉宽<1ps，10~100倍带宽 • 根本上改进了耦合损耗和兼容问题 ：仅需放大，无需中 继再生 • 解决了高温自动控制和测量 ：无电子元件，1000度
研究问题 • EDFA（光纤掺铒放大器） • 孤子间相互作用力 • 预加重技术 • 抑制戈登-豪斯效应：放大器的自发辐射噪声，与 孤子相互作用，使孤子中心频率随机抖动。解决 方案是放大器后加带通滤波器。 • 光孤子复用：由于光孤子碰撞的稳定性，适合在 WDM系统中使用。 例如日本NTT，Nakazawa等人利用在线同步调制 ，进行160Gbit/sWDM(20Gbit/s×8信道)孤子信 号传输距离超过10 000km。 640Gbit/s(40Gbit/s×16信道)DWDM孤子传输实 验1 000km 。
• 当前光纤通信：线性光纤通信系统 ，损耗和色
散是限制线性光纤通信系统传输距离和容量的两 个主要因素。尤其在Gbit/s以上的高速光纤通信系 统中，色散将起主要作用，即由于脉冲展宽将使 系统容量减少，传输的距离受到限制。
• 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。
色散管理孤子
色散补偿技术：周期性全局强色散补偿，不同色散 性质光纤和EDFA • 等长正负色散和EDFA • 长而低的负色散+短而高的正色散和EDFA • 长负色散中周期性加入高短而高的正色散 • 周期性色散指数递减，适于WDM 中继距离120-140km，普通孤子30-SOA）、掺铒光纤放大器（EDFA）、 分布式光纤放大器（D-EDFA）和拉曼光纤放大器
• 非线性薛定谔方程
解
U(z,t) =Nsech(Nt)exp(iN2zP2)
光强较低：色散 光强适当：非线性抵消色散 光强很高：非线性（高阶光孤子周期性变化）
• 光孤子源：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。
• 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。 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。
通常的长途干线光纤通信系统中,每隔几十公里 设一再生中继器对脉冲信号进行整形、放大和再发 射.在光孤子通信系统中,光纤的损耗不可避免地消 耗孤子能量,当能量不满足孤子形成的条件时,脉冲 丧失孤子特性而展宽,但只要通过光孤子放大器给孤子补充 能量,光孤子即自动整形,这是因为在低损耗的光纤中基本光 孤子的脉宽与振幅的乘积保持不变(绝热特性),所以只要用 某种增益机制对光纤损耗进行周期性增益补偿,不仅能提高 系统的传输码速率,而且还能使光信号无畸变地传输极远的 距离.
参考文献和链接
• • • • • • • • 光孤子与光孤子通信——刘喜莲、彭天翔 光纤通信原理——邓大鹏 浅谈光孤子通信在光纤通信中的广阔前景 ——胡杰 中国科普博览_电信博物馆 /gb/technology/telecom孤子通信研究的现状与展望——杨伯君 李荣华 光纤通信的发展趋势——尧长青 都明 冯 /blog/article/show/aid/46.html
粒子性：能量、动量、质量、电荷、 自旋等等，遵循能量、动量、质量守恒定律
波动性：在一切可以出现波动的介质里，在一定条件下都可存在。浅水 层、深水层、固体介质、电磁场、等离子体、生物体、以及微观粒子 的波动性中都可能有孤立波存在。
新型准粒子：行波状态与静止状态，与量子力学所描述的微观粒子相比 ，孤立子遵循经典运动规律，服从牛顿运动方程。