光孤子通信技术 系统构成及工作原理共22页文档
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26、要使整个人生都过得舒适、愉
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
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光孤子通信技术 系统构成及工作原理
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
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
光孤子通信
谢谢观看
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。
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
光纤通信技术-第七章-光纤通信系统PPT课件
信号如何特殊，其传输系统都不依赖于信息 信号而进行正确的传输。
1. 扰码
为了保证传输的透明性，在系统光发射机 的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的 二进制码序列进行变换，使其接近随机序列。 它是根据一定的规则将信号码流进行扰码，经 过扰码后使线路码流中的“0”、“1”出现概 率相等，从而改善了码流的一些特性。但是它 仍然具有下列缺点：
2. 可以用再生中继，传输距离长。数字通信系 统可以用不同方式再生传输信号，消除传输 过程中的噪声积累，恢复原信号，延长传输 距离。
3. 适用各种业务的传输，灵活性大。在数字通 信系统中，话音、图像等各种信息都变换为 二进制数字信号，可以把传输技术和交换技 术结合起来，有利于实现综合业务。
4. 容易实现高强度的保密通信。只需要将明文 与密钥序列逐位模2相加， 就可以实现保密 通信。只要精心设计加密方案和密钥序列并 经常更换密钥， 便可达到很高的保密强度。
光纤部分可根据所传信号的质量要求、传 输距离、适用场合等指标选单模光纤、多模光 纤或其他特ห้องสมุดไป่ตู้光纤。
光接收部分则采用和光发射部分相反的操 作，将光信号转换为电信号，然后再进行解复 用，然后将基带信号送给相关用户。
7.1.2 光纤通信系统的分类
光纤通信系统根据不同的分类方法可以划分 为不同类型。 1. 按系统所用光纤类型可将光纤通信系统分为单模 光纤通信系统和多模光纤通信系统； 2. 按光纤通信系统应用的场合分为公用型光纤通信 系统和专用光纤通信系统，如专网中的电力光纤 通信系统，铁道光纤通信系统，军用光纤通信系 统等；
不能完全控制长连“1”和长连“0”序列的 出现；
没有引入冗余，不能进行在线误码检测； 信号频谱中接近于直流的分量较大。
光孤子通信技术 系统构成及工作原理
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。
讲2 光孤子通信
－ 10
－ 20
－ 20 图7.35 单模光纤的色散特性
图7.36示出光脉冲在反常色散光纤中传输时，由于非线性 效应产生的啁啾被压缩或展宽。对反常色散光纤，群速度与 光载波频率成正比，在脉冲中载频高的部分传播得快，而载 频低的部分则传播得慢。
后沿
前沿
(尾 )
(头 )
反 常 色散
(a)
(红 慢 紫 快 )
但是，如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就 可以保持脉冲宽度不变， 因而形成光孤子。
7.4.1 光孤子的形成
在讨论光纤传输理论时，假设了光纤折射率n和入射光 强(光功率)无关，始终保持不变。这种假设在低功率条件下是 正确的，获得了与实验良好一致的结果。然而，在高功率条 件下，折射率n随光强而变化，这种特性称为非线性效应。
,P
0
0
0
1 2
0
0
2
2 P
（7.24）
式中, 动速度。
0
0
w |ww0
2
w2 |ww0
1 Vg
，
Vg为群速度，即脉冲包络线的运
，比例于一阶色散，描述群速度与频率
的关系。2
/ P |P0
Ae f f
wn2 / cAe f f
。令β2P=
1 ， 1称为
LNL
LNL
非线性长度， 表示非线性效应对光脉冲传输特性的影响。
c
(7.20)
这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性， 称为自相位 调制(SPM)。
w (t) (t) 2 L [n(t)]
t
t
(7.21)
如图7.34 所示，当脉冲
上 升 ， |E|2 增 加 ， (n)/t>0 ， 1.0
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Soliton-西安邮电大学
受激喇曼散射（SRS）（1）
SRS：入射光波的一个光子被一个分子散射成为 另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃 迁。 SRS是非线性光纤光学中一个很重要的非线性过 程，它可使光纤成为宽带喇曼放大器和可调谐喇 曼激光器，也可使某信道中的能量转移到相邻信 道中，从而严重影响多信道光通信系统的性能。
散色分为弹性散射和非弹性散射 弹性散色：被散射的光的频率保持不变； 非弹性散色：被散射的光频率会降低。拉曼
散射和布里渊散射
受激非弹性散射
1.概述 •受激非弹性散射：散射光频率下移，光场把部分 能量传递给介质。 •一个高能量光子（通常称为泵浦）被散射成一个 低能量的光子（斯托克斯光），同时产生能量为 两光子能量差的另一个能量子 •SBS参与的能量子为声学声子，只有后向散射 •SRS参与的能量子为光学声子，以前向散射为 主，但也有后向散射
SBS可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作 用。可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯 光子和一个声学声子。
2、阈值功率
阈值功率Pth与光纤的衰减系数、光纤有效长度Leff、布里 渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：
Pth 21Aeff / gB Leff
• 减小影响：增加信道间隔、适当加大色散、非等 间隔信道、减小光功率、 相邻信道正交偏振（破坏 相位匹配）
n
11.1.2 光的双折射和偏振
1. 光的双折射
当一束单色光入射到各向异性介质表面时，产生两束折射光，这 种现象称为光的双折射。双折射中的两束光，一束总是遵守折射定 律，称这束光为寻常光或光，另一束光则不然，一般情况下它是不 遵守折射定律的，称为非寻常光或e光。光和e光都是线偏振光，而 且光的振动画垂直于晶体的主截面，而e光的振动面在主截面内， 两者振动面相互垂直。若光折射率为，e光折射率为，则