光孤子通信
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
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。
光孤子通信技术研究
信 网产 生 革命 性 的 变化 。
介 质 的折 射 率 随光 强 而 变化 ， 由此 导 致 在 光脉 冲 中产
２０ ２年 第 １ ０ ９期（ 总第 １ ） ５期 １
同， 在介 质 中 的传 播 速度 也 不 同 ， 因此 ， 脉 冲 在光 纤 光
中将 发生 色 散 ， 得 脉 宽展 宽 。但 当具 有 高 强 度 的极 使 窄单 色 光脉 冲 入射 到光 纤 中时 ，将 产 生 克尔 效应 ， 即
潮。 他们 认 为 光孤 子 技术 可 以形 成 能够 传 输更 长 距 离 和 提供 更 大波 长 容 量 的下 一 代 波分 复 用 系 统 ， 光通 使
Ｄ Ｍ 系统 传输 速 率 的基 础 。 目前 ， ＷＤ 国际 上 的商用 产 品 以 （ Ｍ ６ ｘ ．Ｇ ｐ 系 统 为 主 流 ， １ Ｇ ｐ 为 基 础 ８ ） ２５ ｂ ｓ 以 ０ ｂｓ
２ 光 孤 子 通 信 的原 理
２１ 光孤 子 的物 理解 释 ．
人 们 对孤 子 的 研 究 ，可 以追 溯 到十 九 世 纪 中 叶 ， 英 国工 程 师 罗 素 在 河 边 观 到 一 种 浅 水 波 包 络 在 运 动 过 程 中波 形保 持 不 变 ， 由此 开 始 了对 此 新奇 现 象 的 研
１ 前 言
随 着人 类 社 会信 息 传 输 量 的 日益增 加 ， 对通 信 系 统 的速 率要 求 越来 越 高 。 光纤 通信 巨大 的带 宽 资源 和 相 对 低 廉 的 制造 成 本 使 得 光纤 通 信 系 统 成 为 现 代 通 信 系统 中最 为 重 要 的基 础 设 施 。 目前 ， 纤 通 信系 统 光 传 输 速 率 的 提 高 主要 靠 提 高单 波 长 传 输 速 率 和 加 大 Ｄ Ｍ 中信道 数 两 种 方 式 。 由 于 光放 大 器带 宽 和光 ＷＤ 纤 低 损 耗 通 信 窗 口带 宽 的 限 制 ， ＷＤ 的信 道 数 是 Ｄ Ｍ 有 限 的 ，因 此 提 高单 波 长 传输 速 率 又 是 进 一 步 提 高
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）。
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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。
光孤子通信技术
主要内容
一 .光孤子 二 .光孤子通信 三 .光孤子通信优点及应用前景
光孤子
孤子的由来
孤子： 这个名词首先是在物理的流体力学中提出来的，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 条很窄的河道上，迅速拉动一条船前进，当船突然停下来大 的时候，在船头形成了一条孤立的水波迅速离开船头，以 14-15千米每小时的速度前进，而波的形状未发生改变，前 进了两三千米才消失，他称这个波为孤立波。 孤立波在相互碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变， 好像粒子一样，故人们把孤立波又称为孤立子，简称孤子。
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）。