光孤子通信

光孤子的发现与原理

　　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 ，这就是着名的孤立波现象。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 1964年，人们才从孤立波现象中得到启发，引入了 “孤子”概念 。所谓孤子，是指像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 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 。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 。

系统的组成

　　目前已提出的其实验系统的构成方式种类较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。

关键技术

　　光孤子通信的关键技术是光孤子源和光孤子传输中的能量补偿。

　　光孤子源是由孤子激光器产生的。理论分析表明 ，要使光孤子在光纤中稳定传输，输出的光脉冲必须是严格的双曲正割形，且振幅满足一定的条件。

　　目前研发的光孤子源有很多种类，如：喇曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺铒光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等 。现在的光孤子通信试验系统所使用的孤子源大多是采用重发频率高、体积小的增益开关分布反馈（DFB）半导体激光器或锁模半导体激光器。虽然它们的输出光脉冲是高斯形且功率较小，但经光纤放大器放大后，就可获得足以进行光孤子传输的峰值功率。另外，高斯光脉冲在色散光纤中传输时，光脉冲中心部分会在非线性自相位调制与色散效应共同作用下，逐渐演化为双曲正割形。理论和实验也都证明了光孤子传输对波形的要求并不严格。

　　从理论上讲，理想的孤子可无失真地远距离传输，但实际上光纤中是存在着光损耗的，这些损耗虽然不改变孤子形状，但却降低了孤子的脉冲幅度，导致脉冲最终失去孤子的特性。因此补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前，补偿孤子能量的方法有 2种：1.采用分布式光放大器法，即采用受激喇曼散射放大器或分布式掺铒光纤放大器。分布放大是指光孤子在沿整个光纤的传输过程中得以放大，此法通过向光纤注入泵浦光产生喇曼效应，以获得的喇曼增益抵消光纤的损耗 ；2.集总光放大器法，即采用掺铒光纤放大器（EDFA）或半导体激光放大器。集总光孤子放大是将光放大器周期性地插入光纤光路中，通过调整其增益来补偿2个光放大器之间的光纤损耗，从而使光纤非线性效应所产生的脉冲压缩恰好能补偿光纤群色散所带来的影响 。

　　利用受激喇曼散射效应的光放大器是典型的分布式光放大器，它的优点是光纤自身可以作为放大介质，然而石英光纤中的受激喇曼散射增益系数非常小，这就需要用高功率激光器作为光纤中产生受激喇曼散射的泵浦光源，另外，此放大器还存在一定的噪声。集总放大方法是由掺铒光纤放大器实现的，其稳定性在理论和实验上均已得到证明，是当前孤子通信使用的主要放大方法。

发展前景

　　孤子脉冲的特殊性质决定了它应用在通信领域的优越性。与线性光纤通信比较，光孤子通信具有一系列显着的优点 ：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，制成特殊的传感器；5.可以进行波分复用和偏振复用，提高码速。光孤子通信的这些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。

　　未来光孤子通信的发展前景是：1.在 ps(10 s)级光孤子通信实用化基础上研究和开发多波长fs(10 s)级光孤子通信，进一步提高传输码速率和传输距离，其期望速率提高到 100Gbit/s以上，直通距离提高到104km以上；2.在高性能 EDFA方面，获得低噪声 （NF4~6dB）高输出 EDFA；3.利用 1.3 m窗口正色散区比负色散区大的特点，研究 1.3 m波长的光孤子通信；4.利用高阶光孤子实现多值传输 。

　　当然，实际的光孤子通信还存在着许多技术上的难题，光孤子通信目前仍处于探索和实验研究阶段，但鉴于目前已取得的突破性进展，我们有理由相信，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。