光孤子通信技术 系统构成及工作原理
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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
相干光及光孤子通信系统
基本原理
信号光
wS
光检测器
电信号处理
wL
本振光 基带信号
设信号光和本振光的电场分别为:
ES AS exp[ j (wS t S )]
EL AL exp[ j (wLt L )]
检测到的功率为:
P K ES EL
2
P(t ) PS PL 2 PS PL cos(w IF t S L )
光孤子通信系统主要由五部分组成：
光孤子源、调制器 传输光纤、孤子能量补偿放大器 孤子脉冲信号检测接收
光纤传输系统 EDFA 隔离器 隔离器 检测
孤子源
调制
脉冲源
EDFA
EDFA
EDFA
本章小结
本章小结
点对点光纤通信系统
组成原理 数字系统的构成
PDH体制和SDH体制 数字通信系统的设计 其它光纤通信系统
不考虑噪声时，带通滤波器滤波后的光电流可以写成
I f (t ) 2 R PS PL cos(wIF t )
基带信号
1 I d (2 R PS PL cos( ) ic ) 2
相干检测—外差异步解调
外差异步解调
信号光
wS
光检测器
带通 滤波器
包络检波
低通滤 波器
基带信号
wL
6.8 相干光通信系统
相干光通信的优势
接收机灵敏度
与IM/DD系统相比可以改进20dB ,从而在相同发射机功率 下，允许传输距离增加100km 能解调相位信息，可成倍增加光纤带宽利用率
信号输出
带宽利用率
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
非线性光纤光学-第五章-光孤子
➢ 孤子的物理理解： ✓ 光孤子由色度色散和自相位调制的结合而形成。 ✓ 通过选择适当的波长和脉冲形状，激光产生孤子波形， 孤子波形通过
自相位调制抵消掉色度色散，从而保持波形不变。 ✓ 色度色散和啁啾(chirp)彼此抵消，从而产生孤子。
光孤子的数学描述
➢ 非线性薛定谔方程(NLS) 从数学上描述光孤子需要用到前面介绍的NLS，
✓ 随着波分复用技术的出现，色散管理技术被普遍采用，它通过周期性色散图从 总体上降低GVD，而在局部GVD则保持较高值。β2的周期性变化形成另一个光栅， 可以显著影响调制不稳定性。在强色散管理情况下（相对大的GVD变化），调制 不稳定性增益的峰值和带宽均减小。
✓ 调制不稳定性在几个方面影响WDM系统的性能。研究表明，四波混频的共振增强 对WDM系统有害，特别是当信道间隔接近调制不稳定性增益最强的频率时，使系 统性能明显劣化。积极的一面是，这种共振增强能用于低功率、高效的波长变 换
A z
i 2
2
2 A T 2
1 6
3
3 A T 3
i
|
A |2
A
2
A
为了简化孤子解，首先忽略光纤损耗和三阶色散，并引入归一化参量
U A , z , T
P0
LD
T0
输入脉冲宽度
归一化的方程为：
峰值功率
LD
T02
| 2
色散长度 |
i U
sgn(2
)
1 2
2U
2
N2
U 2U
N 2 LD
P0T02
第五章 光孤子
1.调制不稳定性 2.光孤子 3.其他类型孤子 4.孤子微扰 5.高阶效应
1.调制不稳定性
简述光纤通信系统的结构和各部分功能
简述光纤通信系统的结构和各部分功能光纤通信系统是一种基于光纤传输信号的通信系统，由多个部分组成，每个部分都有各自的功能。
下面将对光纤通信系统的结构和各部分功能进行简述。
一、光纤通信系统的结构光纤通信系统一般由光发射器、光纤传输介质、光接收器和光网络设备组成。
1. 光发射器：光发射器是光纤通信系统中的发送端，它将电信号转换成光信号并通过光纤传输介质发送出去。
光发射器的主要功能是将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
2. 光纤传输介质：光纤传输介质是光纤通信系统中的传输媒介，它能够将光信号传输到目标地点。
光纤传输介质具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点，使得光信号能够在长距离传输过程中保持较高的质量。
3. 光接收器：光接收器是光纤通信系统中的接收端，它接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光接收器的主要功能是将光信号转换为电信号，并能够对电信号进行放大和解调等处理。
4. 光网络设备：光网络设备包括光纤交换机、光开关等，它们用于光纤通信系统的网络管理和控制。
光网络设备的主要功能是实现光信号的路由选择、调度和管理，以及对光信号进行调制和解调等处理。
二、各部分功能的详细描述1. 光发射器的功能：光发射器主要负责将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
它包括以下几个主要功能：- 光源发生器：产生光信号的光源，常见的有激光二极管、LED等。
- 调制电路：对电信号进行调制，将其转换为光信号。
- 驱动电路：控制光源的开关和调节光信号的强度。
2. 光纤传输介质的功能：光纤传输介质主要负责将光信号传输到目标地点，具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点。
其主要功能包括：- 光纤芯：传输光信号的核心部分，由高折射率的材料构成。
- 光纤包层：包裹光纤芯，起到保护和传导光信号的作用。
- 光纤护套：保护光纤传输介质免受外界环境的影响。
3. 光接收器的功能：光接收器主要负责接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光孤子在光纤通信的基本应用
３ ． ２光孤子放大技术关键技术
全光孤 子放大器 是光孤子通 信系统 极为重要 的器件， 既 可
作为光端机 的前置放大器 ，又可作 为全光中继器 。实际上，光 孤子在 光纤的传播过程 中，存在 着不可避免地损耗 。不 过光纤
＇ 一 ｆ ７ Ａ ｒ Ｌ Ｓ Ｉ Ｌ Ｉ Ｃ Ｅ Ｏ Ｙ Ｎ 鬟 【 技 术 应用】
光 孤 子 在 光 纤 通 信 的基 本 应 用
李 峰
（ 吉林 市移动 通信 分公 司 网络 优化 中心 吉林 吉林 １ ３ ２ ０ ０ １ ） 摘 要 ：介绍 了光 孤子的产 生、光孤子 通信的基本原 理、 关键技 术及其光孤 子通信 系统构成 ，展 望 了光孤 子通信 的前景 。
关键词 ：光孤子 ；光脉 冲 ；光放 大器 中图分 类号 ： Ｔ Ｎ ９ １文献标识 码 ：Ａ 文章编号 ：１ ６ ７ １ —７ ５ ９ ７（ ２ ０ １ ３） ０ １ ２ ０ １ ６ ４— ０ １
１光 孤子的产 生
光 纤 通 信 中 ，损 耗 和 色 散是 限制 传输 距 离 和 传 输 容 量 的 主 要 原 因 。 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 。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 。 光信 号 的 脉 冲 展 宽 是 由于 光 纤 的 色 散 产 生 的 ，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 光 的强 度 变 化 时 使 频 率 发 生 变 化 ， 从
第08章光纤中的光孤子
图 8.2.1 光纤中脉冲被展宽
196
对于光线 1，其单位长度上的延时为 1
n1 n1 ，对于光线 2，通过单位长度的延时为 2 ，c c sin c c
为全反射临介角，要根据全反射条件有 sin c n2 n1 。最高模式与最低模式间的群延时差为：
m 2 1
0.629
2 D L
c
，由此可以看出，通过改变控制光纤长度 L ，可以控制光学孤子
的脉宽。这是与通常的锁模激光器完全不同的。这个式是表示是二阶光学孤子，在上述孤子激光器中，在 实验上观察到的是二阶光学孤子，脉宽可达到皮秒，甚至飞秒。 实验发现孤子激光器的输出出现光学孤子与宽脉冲的无规交替，所以存在孤子激光器的稳定问题。这 种不稳定性来源于控制光纤腔，由于附腔反射镜的振动、漂移等，造成工作参数的随机变化，使从光纤反 馈回主腔的脉冲激光与主腔振荡的脉冲激光发生相位， 破坏了同步。 可通过外加伺服系统控制附腔的腔长， 使孤子激光器稳定地运转。 实验发现当孤子激光器的光纤中的光功率 p p 时，第光纤中传输的光学孤子的能量，从高频向低 频转移，在光孤子频谱的低端出现一个小峰，此称光学孤子的自频移现象。频移量 与光纤中的平均功 率的平方成正比，所以 1 c 。研究自频移现象，有利于得到频率稳定的孤子激光器。
而对于反常色散介质，则有：
dn 0 ，从而 Vg V d
而在无色散介质中，则：
Vg V
195
光脉冲能量在光纤中的传播速度为群速度，光脉冲行经单位长度所需时间称为群延时，
g
1 dk V g d
(8.2.8)
上式与(8.2.5)相比，展开式(8.2.3)的系数 k1 就等于单位长度上的群延时。如果 dk d 为常数，则群延时将 不随频率而变，光脉冲在光纤中传输的形状保持不变，没有展宽。但是，一般来说， dk d 不为常数， 这就出现了群延时差，造成脉冲的展宽。总的延时差 由三部分组成
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相对于集中式放大器，分布式SRS放大器： • 等效噪声指数低(<0) ； • 增益谱型与信号输入功率的大小不敏感； • 有非常宽的增益带宽； • 不需要额外的增益光纤作为增益介质。
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。
光孤子通信的优点和潜在发展前景引起了业界的广泛关注，经过科学工作 者的不断努力,迄今为止的研究已为实现超高速、超长距离无中继光孤子通信 系统奠定了理论、技术和物质上的基础。当然实际的光孤子通信仍然存在许 多技术的难题，但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长 距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信、洲际通信系统中， 有着光明的发展前景。
实现年份
比特率
中继站间 距
工作波长
半导体器 件
第一代 （渐变折射率纤维）
1980 45Mb/s
10km
0.8um
GaAs
第二代 (单模光纤)
1985 100Mb/s ~
1.7Gb/s
50km
1.3um
In GaAsP
第三代
第四代
第五代
（单模激光器） （光放大器） （拉曼放大）
1990 10Gb/s
1996 10Tb/s
2002
40Gb/s ~ 160Gb/s
100km
>10000km
24000km ~ 35 ~ 1.62um
1.53um ~ 1.57um
技术背景
光纤现有窗口可容纳20000GHz带宽的信号，发挥其潜力可通过：提高信号的码率、用相干光通信、用掺铒光 纤放大器、采用光波频分复用技术、还可采用光孤子通信。
如图所示，(a)为光孤子，(b)为分散脉冲在反常色散介质中的时域波形。其中，红色箭头表示色散诱导的脉冲展 宽; 蓝色箭头表示在脉冲在异常色散介质中传播时产生脉冲压缩。
基本原理
非线性作用会部分抵消色散所带来的脉冲展宽，当两种效应达到平衡时，光脉冲在传播过程中脉冲宽度不再发生 变化，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样变成了理想的光脉冲，这种脉宽不再随传播过程变化的理想脉冲，称 为光孤子。
技术背景
技术背景
光脉冲在光纤的非线性和光纤的色散特性相互补偿下会形成光孤子。 光孤子脉冲可以在光纤中长距离传输而不发生畸变，因而可得到很高的码率，是高速度、长距离光纤通信的优 越方案。
二 基本原理
基本原理
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； “色散”使光信号在传输时脉冲不断展宽。
光孤子的幅度随传输距离的增大呈现指数衰减，当损耗超过一定限度时，光孤子无法抵消色散效应，导致失去 相应特性，因此每隔一定距离进行光功率放大。
系统构成
在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继器无一例外的采用光/电/光变换的方式，导致通信系统的复杂化，进而 系统效率降低。
光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术( Wavelength Division Multiplexing，WDM)走 向实用化。
孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，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。
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： a) 容量大 b) 误码率低、抗干扰能力强 c) 可以不用中继站
EDFA在光传输线中用作升压器、内联放大器和前置放大器，如图所示。升压放大器安装在发射机之后，增加 发射到传输线的光功率。内联放大器放置在传输线上，以补偿光纤引起的衰减。前置放大器被放置在接收器的正 前方，这样就有足够的光功率发射到接收器。每一个EDFAs之间的典型距离是几十公里。
基本结构
在传输线路中，信号功率不是突变而是沿整个传输线路都得到不断放大的光纤放大器就是分布式光纤放大器， 基于受激喇曼散射的分布式光纤放大器就称为分布式喇曼(SRS)光纤放大器。
作为非线性光纤通信的光孤子通信相对目前运行线性通信系统 具有许多优势。这种优势随着通信系统码速率提高将逐步显示出 来。因此在未来超高速长距离跨海洋光纤通信系统和城市大容量 通信网的建立中，光孤子通信是一个重要的选择方式。
THANK YOU!
4CHA5100-4(ONA-1550-4) 1550nm CATV EDFA
系统构成
掺铒光纤放大器(EDFA)是一种用于C波段和L波段的光放大器，它们的光纤损耗在整个电信波长波段中最低。 EDFA发明于1987年，是目前长距离光通信中最常用的光纤损耗补偿技术。另一个重要的特点是EDFA可以同时放 大多个光学信号，因此可以很容易地与WDM技术相结合。
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。
基本原理
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，光纤的非线性特性在光的强度变化时使 频率发生变化，从而使传播速度变化，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。
三 系统构成
系统构成
光孤子通信系统由光孤子激光器与脉冲器进行编码调制，通过光功率放大器(如EDFA)对传输过程中信号能力衰 耗进行补偿, 并在光纤中进行大容量、高速传播, 到对端通过解码、解调等方式还原传输信号的过程。光孤子通信系 统基本结构如图所示。
光孤子源是由光孤子激光器发射出的一连串光孤子序列构成的，是实现光孤子通信技术的关键。现有不同类型 的光孤子激光器如色心晶体孤子激光器、光纤光孤子激光器、转键孤子激光器、半导体孤子激光器等。
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。
光孤子通信的优点和潜在发展前景引起了业界的广泛关注，经过科学工作 者的不断努力,迄今为止的研究已为实现超高速、超长距离无中继光孤子通信 系统奠定了理论、技术和物质上的基础。当然实际的光孤子通信仍然存在许 多技术的难题，但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长 距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信、洲际通信系统中， 有着光明的发展前景。
实现年份
比特率
中继站间 距
工作波长
半导体器 件
第一代 （渐变折射率纤维）
1980 45Mb/s
10km
0.8um
GaAs
第二代 (单模光纤)
1985 100Mb/s ~
1.7Gb/s
50km
1.3um
In GaAsP
第三代
第四代
第五代
（单模激光器） （光放大器） （拉曼放大）
1990 10Gb/s
1996 10Tb/s
2002
40Gb/s ~ 160Gb/s
100km
>10000km
24000km ~ 35 ~ 1.62um
1.53um ~ 1.57um
技术背景
光纤现有窗口可容纳20000GHz带宽的信号，发挥其潜力可通过：提高信号的码率、用相干光通信、用掺铒光 纤放大器、采用光波频分复用技术、还可采用光孤子通信。
如图所示，(a)为光孤子，(b)为分散脉冲在反常色散介质中的时域波形。其中，红色箭头表示色散诱导的脉冲展 宽; 蓝色箭头表示在脉冲在异常色散介质中传播时产生脉冲压缩。
基本原理
非线性作用会部分抵消色散所带来的脉冲展宽，当两种效应达到平衡时，光脉冲在传播过程中脉冲宽度不再发生 变化，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样变成了理想的光脉冲，这种脉宽不再随传播过程变化的理想脉冲，称 为光孤子。
技术背景
技术背景
光脉冲在光纤的非线性和光纤的色散特性相互补偿下会形成光孤子。 光孤子脉冲可以在光纤中长距离传输而不发生畸变，因而可得到很高的码率，是高速度、长距离光纤通信的优 越方案。
二 基本原理
基本原理
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； “色散”使光信号在传输时脉冲不断展宽。
光孤子的幅度随传输距离的增大呈现指数衰减，当损耗超过一定限度时，光孤子无法抵消色散效应，导致失去 相应特性，因此每隔一定距离进行光功率放大。
系统构成
在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继器无一例外的采用光/电/光变换的方式，导致通信系统的复杂化，进而 系统效率降低。
光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术( Wavelength Division Multiplexing，WDM)走 向实用化。
孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，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。
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： a) 容量大 b) 误码率低、抗干扰能力强 c) 可以不用中继站
EDFA在光传输线中用作升压器、内联放大器和前置放大器，如图所示。升压放大器安装在发射机之后，增加 发射到传输线的光功率。内联放大器放置在传输线上，以补偿光纤引起的衰减。前置放大器被放置在接收器的正 前方，这样就有足够的光功率发射到接收器。每一个EDFAs之间的典型距离是几十公里。
基本结构
在传输线路中，信号功率不是突变而是沿整个传输线路都得到不断放大的光纤放大器就是分布式光纤放大器， 基于受激喇曼散射的分布式光纤放大器就称为分布式喇曼(SRS)光纤放大器。
作为非线性光纤通信的光孤子通信相对目前运行线性通信系统 具有许多优势。这种优势随着通信系统码速率提高将逐步显示出 来。因此在未来超高速长距离跨海洋光纤通信系统和城市大容量 通信网的建立中，光孤子通信是一个重要的选择方式。
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4CHA5100-4(ONA-1550-4) 1550nm CATV EDFA
系统构成
掺铒光纤放大器(EDFA)是一种用于C波段和L波段的光放大器，它们的光纤损耗在整个电信波长波段中最低。 EDFA发明于1987年，是目前长距离光通信中最常用的光纤损耗补偿技术。另一个重要的特点是EDFA可以同时放 大多个光学信号，因此可以很容易地与WDM技术相结合。
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。
基本原理
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，光纤的非线性特性在光的强度变化时使 频率发生变化，从而使传播速度变化，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。
三 系统构成
系统构成
光孤子通信系统由光孤子激光器与脉冲器进行编码调制，通过光功率放大器(如EDFA)对传输过程中信号能力衰 耗进行补偿, 并在光纤中进行大容量、高速传播, 到对端通过解码、解调等方式还原传输信号的过程。光孤子通信系 统基本结构如图所示。
光孤子源是由光孤子激光器发射出的一连串光孤子序列构成的，是实现光孤子通信技术的关键。现有不同类型 的光孤子激光器如色心晶体孤子激光器、光纤光孤子激光器、转键孤子激光器、半导体孤子激光器等。