第八章光纤通信的新技术 08.1光孤子通信 o8.2相王光通信 08.3全光通信
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 o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。 0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14一 15km的速度前进，而波的形状不变，前进了2~3km才消 失。他称这个波为孤立波。 下一页返回
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2～3km才消 失。他称这个波为孤立波。 下一页 返回
8.1光孤子通信 其后，1895年， 卡维特等人对此进行了进 步研究， 人们 电孤子和 光孤子 孤子 应的 程的 稳定的、能量有限的不弥散解。即是说，它能始终 葆持其波形和速度不麦。 孤立波在柏碰撞后，仍匪煤持各 息的形沙和速度不变，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 由于折射率的韭线性变化 与群色散效应相平衡，光脉冲会形 纤孤字传输系统这一新领域。 光孤子(soliton)就是这种能在光纤中传播的长时间保持 形态、幅度和速度不的光脉冲。利用光孤字特性可以实现 超长距离、超大容量的光通信。 上一页 下一页 返回
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。 光孤子（soliton）就是这种能在光纤中传播的长时间保持 形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现 超长距离、超大容量的光通信。 上一页 下一页 返回
8.1光孤子通信 02.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。 上一页下一页返回
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。 上一页 下一页 返回
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1.3pm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。 上一页下一页返回
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。 上一页 下一页 返回
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 0 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。 上一页 下一页 返回
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。 上一页 下一页 返回
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。这种补偿可利用参饵光纤放大器进行。 只要通过掺饵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。 。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30~50k加一个 掺饵光纤放大器，是一种集总式能量补偿方式。 上一页下一页返回
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。 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。 上一页 下一页 返回
8.1光孤子通信 。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。光孤子也很容易实现波分复用（即利 用不同波长的光孤子在同一光纤中传输)和偏振复用（即利 用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输)，可进一步提 高传输质量。 上一页下一页返回
8.1 光孤子通信 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。光孤子也很容易实现波分复用（即利 用不同波长的光孤子在同一光纤中传输）和偏振复用（即利 用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输），可进一步提 高传输质量。 上一页 下一页 返回
8.1光孤子通信 。(3)戈登-豪斯效应及其抑制 。采用光放大器不可避免地带来自发辐射噪声，这是一种热噪 声，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时间的抖动，即戈登--豪斯效应，这一 现象是限制孤子传输系统的容量、放大器间隔等系统指标的 重要因素。在放大器后加一个带通滤波器可以较好地抑制戈 登一豪斯效应。 。(4)孤子的峰值功率与光纤色散的关系 。孤子的峰值功率与光纤色散的平方成反比，因此长距离光孤 子通信系统的传输媒质采用色散位移单模光纤，该光纤将色 散零点从1.3μm移到1.55μm处，既满足1.55μm处低色 散要求，又利用了光纤在1.55μm附近的低损耗特性。 上一页下一页返回
8.1 光孤子通信 （3）戈登--豪斯效应及其抑制 采用光放大器不可避免地带来自发辐射噪声，这是一种热噪 声，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时间的抖动，即戈登--豪斯效应，这一 现象是限制孤子传输系统的容量、放大器间隔等系统指标的 重要因素。在放大器后加一个带通滤波器可以较好地抑制戈 登--豪斯效应。 （4）孤子的峰值功率与光纤色散的关系 孤子的峰值功率与光纤色散的平方成反比，因此长距离光孤 子通信系统的传输媒质采用色散位移单模光纤，该光纤将色 散零点从1.3μm移到1.55μm处，既满足1.55μm处低色 散要求，又利用了光纤在1.55μm附近的低损耗特性。 上一页 下一页 返回
8.1光孤子通信 。4.光孤子通信的实用化 。光孤子通信被认为是第五代光纤通信系统。近年来美、日、 英等国相继进行了光孤子通信实验。美国的贝尔实验室先后 进行了传输距离为4000km、6000km、15000km的光 孤子传输实验，验证了光孤子跨洋通信的可能性，并且完成 了32Gb/s、90km无误码光孤子数据传输实验。日本的 NTT公司在完成了5Gb/s、400km和10Gb/s、300km 光孤子传输实验的基础上，又完成了20Gb/s、200km和 10Gb/s、1000km直通传输实验。 0另有实验表明，光孤子在10Gb/s码率下保持的距离超过 106km。所有这些都充分说明了光孤子通信的可行性及其 具大的应用前景。 上一页下一页返回
8.1 光孤子通信 4. 光孤子通信的实用化 光孤子通信被认为是第五代光纤通信系统。近年来美、日、 英等国相继进行了光孤子通信实验。美国的贝尔实验室先后 进行了传输距离为4000km、6000km、15000km的光 孤子传输实验，验证了光孤子跨洋通信的可能性，并且完成 了32Gb/s、90km无误码光孤子数据传输实验。日本的 NTT公司在完成了5Gb/s、400km和10Gb/s、300km 光孤子传输实验的基础上，又完成了20Gb/s、200km和 10Gb/s、1000km直通传输实验。 另有实验表明，光孤子在10Gb/s码率下保持的距离超过 106km。所有这些都充分说明了光孤子通信的可行性及其 具大的应用前景。 上一页 下一页 返回