浅析光孤子通信技术

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1、浅析光孤子通信技术吴辉陈金鹰成都理工大学信息科学与技术学院，成都610059【摘要】：光孤子通信具有容量大、误码率低、抗干扰能力强、不用中继站等特点，被认为是最有发展前途的下一代通信技术之一。文章介绍了孤子的发现，光孤子通信系统工作原理，探析了光孤子通信中的若干关键技术，并对该技术的研究现状进行了总结，对应用前景进行了展望。关键词：孤子；光孤子通信；光纤；前景1引言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、传输速率高、传输距离不受限而备受青睐。光孤子由于能保持形状无畸

2、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孤子的发现发现孤子现象源于1834年，英国海军工程师ScottRussell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

3、1964年，人们才从孤立波中得到启发，引入了“孤子”概念[1]。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称为光孤子。2.2光孤子形成的原理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的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

4、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。1980年，贝尔实验室的Mollenauer等人用实验方法在光纤中观察到了孤子脉冲。3光孤子通信系统3.1光孤子通信的基本原理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，光孤子通信的基本原理如图1所示。光孤子源产生光孤子脉冲流，要传输的信号通过调

5、制器对光孤子流进行调制，将信号加载与光孤子流上，然后经功率放大器放大后耦合到光纤中传输[2]。沿途有若干线路放大器以补偿光孤子的能量衰减，同时平衡色散效应与非线性效应，保证光孤子的幅度和形状稳定不变。接收端得到的光孤子载波经放大、整形和解调后还原为原始信号。光孤子是理想的光脉冲，其脉冲宽度窄至皮秒级。这样，邻近的光脉冲间隔很小，不至于发生脉冲重叠，产生干扰。光孤子通信的传输容量极大，可以说是几乎没有限制。传输速率也很高，可以达每秒兆比特，如此的告诉意味着只需100s就可以将世界上最大的图书馆—美国国会图书馆的所有藏书全部传送完毕。光孤子源接收放大光

6、孤子源调制器全光放大解调信号信号图1光孤子通信示意图4光孤子通信中的若干关键技术4.1光孤子放大技术由于光纤损耗的存在，将导致孤子的能量不断减小，因此在光孤子通信系统中需要在光纤上每隔一定距离对光孤子进行放大。最简单的放大形式是沿光纤周期性地增加一些光放大器，其增益调整到正好补偿两放大器之间的光纤损耗，放大器的间距L是一个重要的设计参数，L越大越好，但L要受到许多因素的限制，一般只有10km~30km，以避免孤子在幅度、宽度和能量上发生较大变化。孤子脉冲越窄，L越小。如果采用色散位移光纤，L可增大到30km~50km。采用预加重法可以获得较大一点的

7、L值，即使输入脉冲峰值功率比基阶光孤子要求的大，在不考虑光纤损耗时光孤子会产生压缩过程，而这样的脉冲被注入有损耗的光纤时，他们所受到的展宽要比基阶光孤子小，因而可以允许较长距离的传输。孤子放大的另一方法是分布式放大技术，即沿光纤每隔一定距离向光纤注入泵浦光，由于拉曼效应时孤子沿整个光纤都具有拉曼增益以抵消光纤损耗。但这需要高功率的激光器作泵浦源，因而目前较难实用化[3]。4.2RLL孤子信道编码技术光孤子之间存在着复杂的吸引、排斥作用，它将降低系统的性能，必须加以避免。由于这种复杂的相互作用随孤子间距离的增加而呈指数衰减，因此，最常用的方法是加大光

8、孤子间的距离，但这样一来又会限制通信的码率。实际可行的方案是对相邻光孤子采用非等幅方式，则孤子间隔可以减少两倍而不影响孤子