光孤子通信

光孤子通信 事物都是在发展中前进，光通信在超长距离、超大容量发展进程中，遇到了光纤损耗和色散的问题，限制其发展空间。科学家和业内人士受自然界的启发，发现了特殊的光孤子波，人们设想的在光纤中波形、幅度、速度不变的波就是光孤子波。利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统，真正做到全光通信，无需光、电转换，可在越长距离、超大容量传输中大显身手，是光通信技术上的一场革命。

1 光孤子通信概念 1.1 常规光纤通信向前发展的阻力 我们知道光纤的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。

光的色散指的是由于物质的折射率与光的波长有关系而发生的一些现象。对于一定物质，折射系数n是波长人的一定函数： n＝f（λ） 决定折射率n随波长入而改变快慢的量，称为物资的色散。

色散怎样使光脉冲信号在传输时展宽；是光纤的色散，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。

1.2 光孤立子是怎样产生的 1）人们从自然界得到启发 1834年斯柯特鲁塞尔对船在河道中运动而形成水的波峰进行观察，发现当船突然停止时，原来在船前被推起的水波依然维护原来的形状、幅度和速度向前运动，经过相当长的时间才消失。这就是著名的孤立波现象。

2）光孤立子产生的机理 孤立子又称孤子、孤立波，是一种特殊形状的短脉冲，光孤立子是光非线性效应的特殊产物。

在光强较弱的情况下，光纤介质的折射率是常数，即n不随光强变化。但是在强光作用下，由物理晶体光学的克尔效应可知，光纤介质的折射率不再是常数，折射率增量Δn（t）正比于光扬[E（t）]2。又知折射率与相位有一定关系，相位与频率有一是关系，则光强的变化将造成光信号的频率变化，从而使光的传播速度发生变化。

光纤的群速度色散和光纤的非线性，二者共同作用使得孤子在光纤中能够稳定存在。当工作波长大于1.3μm时，光纤呈现负的群速度色散，即脉冲中的高频分量传播速度快，低频分量传播速度慢。在强输入光场的作用下，光纤中会产生较强的非线性克尔效益，即光纤的析射率与光场强度成正比，进而使得脉冲相位正比于光场强度，即自相位调制，脉冲后沿比脉冲前沿运动得快，引起脉冲压缩效益。当这种压缩效应与色散单独作用引起的脉冲展宽效应平衡时即产生了束缚光脉冲——光孤子，它可以传播得很远而不改变形状与速度。

孤立波是一种特殊形态的波，它仅有一个波峰，波长为无限，在很长的传输距离内可保持波形不变。人们从孤立波现象得到启发，引出了孤子的概念，而以光纤为传输媒介，将信息调制到孤子上进行通信的系统则称作光孤子传输系统。

1.3 光孤立子的数学模型及定义 1895年，Korteweg和Vries提出了著名的KDV方程，从而建立了孤立子的数学模型。后来经过漫长的时间，直到1973年，美国威苏康星大学的A.C.Scott等人提出孤立子的正式定义：孤立子是非线性波动方程的一个孤子波解，它可传播很长的距离而不变形，当它与其它同类孤立波相遇后，保持其幅度、形状和速度不变。

其光孤子的概念还可进一步概括为：某一相干光脉冲在通过光纤时，脉冲前沿部分作用于光纤使之激活，而其后沿部分则受到光纤的作用获得增益，前沿失去的和后沿获得的能量相互抵消。其结果使得光脉冲传输时，没有任何形状上的变化，即形成一个稳定的光孤子或光孤立子。

2 光孤子通信系统的构成 2.1 光孤子通信系统的基本组成 目前已提出的其实验系统的构成方式种类较多，但其基本部件却大体相同，图1所示即为基本组成结构。

图1中的孤子源并非严格意义上的孤子激光器，只是一种类似孤子的超短光脉冲源，它产生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲，这种超短光脉冲，在光纤中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。电信号脉冲源通过调制器将信号载干光孤子流上，承载的光孤子流经EDFA放大后进入光纤传输。沿途需增加若干个光放大器，以补偿光脉冲的能量损失。同时需平衡非线性效应与色散效应，最终保证脉冲的幅度与形状稳定不变。在接收端通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其它辅助装置实现信号的还原。

2.2 与普通光纤通信系统不同的技术问题 1）EDFA（掺饵光纤放大器） 光孤子在使用EDFA的系统中能稳定传输的特性是光孤子通信能实用的一个关键。因为光纤的损耗不可避免的消耗孤子能量，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，但需要通过EDFA给孤子补充能量，孤子即自动整形。利用孤子这一特性，可进行全光中继，不再需要像常规光纤通信系统那样在中继站进行光-电-光的转换，实现了全光传输，一般每30～50km加一个EDFA，是一种集总式能量补充方式。

2）预加重技术 预加重技术，也称为动态光孤子通信。在上述集总式能量补充系统中，即使光纤的色散有抖动，这种孤子也是稳定的。在放大器的间距与孤子的特征长度可比拟时，如果使进入光纤的脉冲峰值功率大于基态孤子所要求的峰值功率，则所形成的孤子也能长距离稳定传输，这种技术通常被称为预加重技术，也称为动态光孤子通信。

3）抑制戈登-豪斯效应 所谓戈登-豪斯效应是一种抖动。采用放大器的自发辐射噪声，是一种不可避免的热噪声，它与孤子相互作用后，造成孤子中心频率的随机抖动，进而引起孤子到达接收端的抖动，即戈登-豪斯效应。这一效应是限制孤子传输系统的容量，是放大器间隔等系统指标的重要因素。解决的办法是在放大器后加一个带通滤波器即能较好的戈登一豪斯效应。

4）光孤子复用 光孤子也可实现波分复用，即利用不同波长的光孤子在同一光纤中传输。也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输，即偏振复用，进一步提高传输质量和容量。

3 国内外光孤子通信走向实用的动态 3.1 光孤子通信研究的三个阶段 1）1973～1980年为第一阶段：首先将光孤子应用于光通信的设想是由美国贝尔实验室的A.Hasegawa于1973年提出的，他经过严格的数学推导，大胆地预言了在光纤地负色散区可以观察到光孤子的存在，并率先开辟了这一领域的研究工作，拉开了这一阶段以理论研究的序幕。

2）1981～1990年为第二阶段：主要工作是关键部件的研制。自从70年代初提出光孤子的概念以来，由于以后的十多年未能有效地观察到光孤子的存在，直到1983年，美国贝尔实验室的Mollenauer研究小组首次研制成功了第一支色心锁模孤子激光器CCL，从而揭开了实验研究的序幕。 3）1991年一现在为第三阶段：主要工作是建立实验系统并向实际应用迈进。在这阶段，半导体激光器和EDFA在光孤子通信试验系统中的成功应用，拉开了光孤子通信走向实用化的序幕。科学家认为，本世纪初，全光通信将走向实用化。

3.2 光孤子通信在美国和日本的实用化进程 在全世界范围，全光通信系统已在横跨大西洋的TAT-10系统和横跨太平洋的TPC-15系统上首先应用。在光孤子通信领域美国和日本领先。

1）美国贝尔实验室Mollenauer研究小组的实验系统是世界上最早的光孤子实验系统，首次检测出脉宽为10ps的光孤子经10km传输无明显变化，从而首次从实验上证实了光孤子传输的可能性。

2）1995年，在日本东京地区的光纤局域网上，NTT公司首次实现了10Gbit/s、 2000km的光孤子现场直通测试，从而将实验室内的实验转升为现场实验，为实用化进程迈出了十分重要的一步。

3）美国：美国贝尔实验室已成功地将激光脉冲信号传输了5920km，还利用光纤环实现了5Gbit/s、传偷15000km的单信道孤子通信系统和传输11000km总码速达到10Gbit/s的双信道波分复用孤子通信系统；美国光谱物理公司已制成能产生4×10-13s的孤立波脉冲信号器件。

4）日本：日本利用普通光缆线路成功地进行了超高20Tbit/s、远距离1000km孤立波通信；日本电报电话公司在1992年推出速率为10Gbit/s、能传输12000km的直通光孤子通信实验系统。

3.3 光孤子通信在中国 1）1994年掺饵光纤放大器在武汉通过鉴定 由武汉邮电科学研究院研制的EDFA，具有增益高、噪声低、增益特性与光偏振状态无关。在多路系统中信道交叉串拢通常可以忽略等一系列优点，达到世界先进水平。在光端机的发送端加后置式掺饵光纤放大器，在接收端加低噪声前置掺饵光纤放大器，则可以使2.488Gbit/s系统具有跨越100～250km无中继距离的能力。可大大降低中继成本。

2）1999年“863”研究项目“OTDM光孤子通信关键技术研究”通过了专家验收。 该项目成功地研制了增益开关激光器和2.5Gbit/s的RZ脉冲光接收机，并在以下各技术领域取得成功：

a）采用色散补偿光纤对光脉冲进行压缩； b）采用2.5Gbit/s～20Gbit/s的光信号复用； c）从20Gbit/s的复用系统中提取2.5Gbit/s电时钟； d）采用非线性光学环路实现2.5Gbit／s～20Gbit／s的解复用； e）采用啁啾光栅对20Gbit／s信号在标准单模光纤中传输105km后造成的色散进行补偿。

f）研制2.5Gbit／s锦酸钾强度调制发送单元； g）成功地进行了20Gbit/s、105km的光纤传输。 四 光孤子通信的优越性及其展望 4.1 光孤子通信的优越性 1）综上所述，光孤子通信克服了色散的制约，当光强度足够大时会使光脉冲变窄，脉冲宽度不到一个ps，可使光纤的带宽增加10～100倍，极大的提高了传输容量和传输距离，尤其是当光速度超过10Gbit／s时，光孤子传输系统显示出明显的优势。光孤子通信作为新一代光纤通信系统在洲际陆地通信和跨洋通信等超长距离、超大容量通信系统中大显身手。

2）光孤子通信系统不但容量大、频带宽、增益高，更可贵的是从根本上改变现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗禾口不方便，是一场光纤通信的革命。

3）光孤子通信系统由于没有使用电子元件，可以工作在很高的温度下工作，甚至是1000℃的高温。这对高温条件下的自动控制或测量具有划时代的意义，为人类提供了新的理想的传输系统，意义重大。

4.2 展望 光孤子通信以其巨大的应用潜力和发展前景令世人瞩目，尤其是EDFA技术的迅速发展使得几十至几百吉比特率，几千至几万公里的信息传输变得轻而易取。如此美好的应用前景、如此诱人的事业，一定会吸引国内外众多科技人员为之努力贡献。本世纪初叶就会看到光孤子通信实用化的到来。在结束本文之前我们用图2结尾。图2光孤子通信的现状与展望。

从图2可见，三个座标分别表示传输距离、传输速度和EDFA的性能，图中的阴影部分表示目前的现状，三个轴所表示发展方向，表示未来的前景和达到的性能指标。