光孤子系统设计

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通信 13-3
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崔红梅
非线性的影响抵消色散的影响、医用两种效应的相互制约，就可以使光脉冲经过长距离传 输而不发生畸变，这就是光孤子通信。
3.1 光孤子信号的产生及特点
3.1.1 光孤子信号的产生
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 输时能量不断衰减；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 不同频率的光波震荡组成的电磁波的集合。光纤的色散使得不同的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。 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，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广德强度变化时频率发生变化，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；而前言的频 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。 如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好相互抵消，光脉冲就会像一个孤立的 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。 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 14~15km/h 的速度前进，而波的形状、幅度维持不变，前进了 2~3km 才消失，这就是 著名的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，人们才从孤立波中得到启发，引入了“孤子”概念。所谓孤子，就 是指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成为光孤子。
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光孤子通信系统设计
数量级，中继距离可达几百千米。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。光孤 子通信具有以下特点： （1）容量大：传输码率一般可达 20Gb/s，最高可达 100Gb/s 以上； （2）误码率低、抗干扰能力强：基阶光孤子在传输过程中保持不变及光孤子的绝热 性决定了光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于 10 -12 的无差 错光纤通信； （3）可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输 极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复 杂过程。
3.1.2 光孤子信号的特点
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效应导致 对光脉冲的压缩可以与群素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，其传输容量比当今最好的通信系统高出 1~2 个
光孤子通信系统设计
1 绪论
现在正处在信息时代，人类所产生的信息每几个月就要翻一番，大量的信息的传输正 在逐渐耗尽现有的带宽。光纤通信系统因其信道容量大、传输距离不受限制而备受青睐， 光孤子由于能保持性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，利用光 孤子传输信息的新一代光纤通信系统，可以真正地做到全光通信，无需光、电转换，就可 以在超长距离、超大容量传输中大显身手。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。
光孤子通信系统设计
目
录
1 绪论.........................................................................................................................1 2 任务概述.................................................................................................................1 2.1 设计题目........................................................................................................1 2.2 设计目的........................................................................................................1 2.3 设计内容........................................................................................................1 3 光孤子.....................................................................................................................1 3.1 光孤子信号的产生及特点........................................................................... 2 3.1.1 光孤子信号的产生.............................................................................. 2 3.1.2 光孤子信号的特点.............................................................................. 2 3.2 光孤子形成机理........................................................................................... 3 4 光孤子通信系统.....................................................................................................4 4.1 光孤子通信网络的构成及性能................................................................... 4 4.1.1 通信网络的构成.................................................................................. 4 4.1.2 通信网络的性能.................................................................................. 5 4.2 光孤子通信系统现状及应用前景............................................................... 5 4.2.1 光孤子通信系统现状.......................................................................... 5 4.2.2 光孤子通信系统的应用前景.............................................................. 6 5 心得体会.................................................................................................................6 参考文献.....................................................................................................................7
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通信 13-3 之间的非线性效应——克尔效应，不同强度的脉冲分量相速度是不同的， 这样，在光脉冲传输的过程中将会产生不同的相移，结果会造成脉冲谱的变化。例如，通 过对于高斯脉冲的分析表明，自相位调制会导致脉冲前沿谱红移，后沿谱蓝移，对其它形 状脉冲的分析也有类似的结果。另外，相对在群速度色散（GVD）的反常色散区，脉冲的 高频（ 蓝移）分量运动速度要高于低频（红移）分量，而自相位调制（SPM）效应所导致 的脉冲前沿谱红移又使脉冲前沿运动速度减慢和脉冲后沿由于谱蓝移而加快运动速度，进 而使得脉冲变窄，正好与群速度色散在反常色散区的脉冲展宽的趋势相对应。因此，当这 两种作用在数量上达到平衡时，光脉冲就会保持不变而成为光孤粒子，即光孤子。所以说， 光孤子的形成机理是光纤中群速度色散和自相位调制效应在反常色散区的精确平衡。
3.2 光孤子形成机理
光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象， 即群速度色散 （GVD） 和自相位调制 （SPM） 共同作用形成的。损耗和色散是光纤最重要的传输特性，会使得光脉冲信号经过光线传输 后幅度减小，波形展宽，损耗限制了系统的传输距离，色散则限制了系统的传输容量。人 们可通过使用光纤放大器克服损耗的限制来增加传输距离，但是用光纤放大器产生的噪声 积累又会妨碍传输距离的增加。为了满足传输距离的要求，只有增大发送信号的光功率， 这样便产生了非线性效应，即当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时。光纤的折 射率 n 随入射光的光强而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，即脉冲前沿产生的 相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，脉冲前沿比后沿传播得 慢，光纤的非线性使光脉冲在传输过程中变窄，并最终导致脉冲破裂。 光脉冲在光纤中传输时存在一定的频率范围，在线性近拟中，常将光脉冲表示成一定 范围内一系列简谐波的叠加。由于各谐波分量相速度不同，因而光脉冲包络的传输通常以 群速度来表示 vg d d （β为光波波数， 为载波频率）。由该式可见，群速度是随着 频率的变化而变化的，而光脉冲中不同频率的分量则会以不同的速度进行传播，导致脉冲 的分散，这种现象称之为群速度色散（GVD）。研究的结果表明，=1310nm 处为零色散波 长，称之为反常色散区域，称之为正常色散区域。正常与反常色散区域光脉冲的传输特性 是不同的，在反常色散区域，光脉冲的高频分量（蓝移）较低频分量（ 红移）传输得快， 而在正常色散区域，情况正好相反。由于传输情况不同，群速度色散效应不同，最终导致 了光脉冲的展宽。 自相位调制效应是光波在光纤中传输时光波本身引起的相移。其起源于光纤的折射率