第八章 光纤通信的新技术

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1、第八章光纤通信的新技术8.1光孤子通信8.2相干光通信8.3全光通信8.1光孤子通信1.光孤子的定义孤子（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。即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、2～3km才消失。他称这个波为孤立波。返回下一页8.1光孤子通信其后，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，并先后发现了声孤子、电孤子和光孤子等现象。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。从数学上看，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。即是说，它能始终保持其波形和速度不变。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。1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散

3、效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论——光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。返回下一页上一页8.1光孤子通信2.光孤子传输原理光脉冲在光纤中传播，当光强密度足够大时会引起光脉冲变窄，脉冲宽度不到1个Ps，这是非线性光学中的一种现象，称为光孤子现象。若使用光孤子进行通信，可使光纤的带宽增加10～100倍，使通信距离与速度大幅度地提高。对于常规的线性光纤通信系统而言，限制其传输容量和距离的主要因素是光纤的损耗和色散。随着光纤制作工艺的提高，光纤的损耗已接近理论

4、极限，因此光纤色散成为实现超大容量光纤通信亟待解决的问题。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。由光纤的非线性所产生的光孤子可抵消光纤色散的作用，因此，利用光孤子进行通信可以很好地解决这个问题。返回下一页上一页8.1光孤子通信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，即光纤的折射率与光

5、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，这造成脉冲前沿频率低，后沿频率高，因此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。返回下一页上一页8.1光孤子通信3.光孤子传输系统的组成（1）光孤子传输系统的组成光孤子传输系统是由激光器（孤子源）、光调制器、光放大器、光检测器、判决器（或解调器）和光纤等组成的一体化通信系统。孤子激光器产生的是光孤子脉冲。光孤子通信系统中所用的孤子源，一般并非严格意义

6、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。较理想的孤子源是增益开关分布反馈半导体激光器，该激光器依靠大电流的注入形成窄脉冲，结构简单，且重复频率可调，但产生的光脉冲啁啾噪声大，所以在入纤前要进行消啁啾处理。返回下一页上一页8.1光孤子通信（2）损耗及其补偿光孤子传输系统中，光纤的损耗不可避免地消耗孤子能量，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，因此需要进行补偿。这种补偿可利用掺饵光纤放大器进行。只要通过掺饵

7、光纤放大器给孤子补充能量，孤子即自动整形。利用孤子的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。返回下一页上一页8.1光孤子通信掺饵光纤放大器是一种理想的能量补偿手段，它的成功应用极大地促进了光孤子传输研究的进展。每30～50km加一个掺饵光纤放大器，是一种集总式能量补偿方式。在这样的系统中，如果放大器的间距远小于孤子的特征长度，则能形成所谓“导引中心孤子”（或称为路径平均孤子），它可以超常距离稳定传输，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

8、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。光孤子在使用集总掺饵光纤放大器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。光孤子