光孤子在光纤通信的基本应用

摘 要：介绍了光孤子的产生、光孤子通信的基本原理、关键技术及其光孤子通信系统构成，展望了光孤子通信的前景。

关键词：光孤子；光脉冲；光放大器

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0120164-01

1 光孤子的产生

光纤通信中，损耗和色散是限制传输距离和传输容量的主要原因。损耗使光信号在传输时能量不断减弱；而色散则是使光脉冲在传输中逐渐展宽。所谓光脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的集合。光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真。随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。

光信号的脉冲展宽是由于光纤的色散产生的，而光纤中还有一种非线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化。在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄。

光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信。

2 光孤子基本原理

光孤子通信是一种全光非线性通信方案，也是消除色散的最佳途径， 其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。另外它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制的同时，其传输容量比当今最好的通信系统高出1～2个数量级，中继距离可达几百公里。

3 光孤子主要技术

3.1 光孤子源技术

光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。目前，研究和开发的光孤子源种类繁多，有拉曼孤子激光器、掺铒光纤孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。

3.2 光孤子放大技术关键技术

全光孤子放大器是光孤子通信系统极为重要的器件，既可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器。实际上，光孤子在光纤的传播过程中，存在着不可避免地损耗。不过光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的光放大器的方法，即是用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器；另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器。

受激拉曼散射效应光放大器的应用是一种典型的分布式光放大器。其优点是光纤自身成为放大介质，然而石英光纤中的受激拉曼散射增益系数相当小，这意味着需要高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散射的泵浦源，此外，这种放大器还存在着一定的噪声。集总放大方法是通过掺铒光纤放大器实现的，其稳定性已得到理论和试验的证明，成为当前孤子通信的主要放大方法。光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。

4 光孤子通信系统的构成及性能

图1示出光孤子通信系统构成方框图。光孤子通信系统由激光器（孤子源）、光调制器、光放大器、光隔离器、光探测器、解调器和光纤等组成。光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。

目前，Bell实验室提出，在光孤子通信系统中，对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10Gb/s时，传输距离达到1000km；在传输速率为20 Gb/s时，传输距离达到350km。对循环光纤间接实验系统（见图2），传输速率2.4Gb/s，传输距离达12000km；改进实验系统，传输速率为10Gb/s，传输距离达106km。

事实上，对于单信道光纤通信系统来说，光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的常规（非光孤子）系统更好。循环光纤间接实验结果表明，零色散波长常规系统的传输速率为2.4Gb/s时，传输距离可达21000km，而为5Gb/s时可达14300km。然而，零色散波长系统只能实现单信道传输，而光孤子系统则可用于WDM系统，使传输速率大幅度增加，因而具有广阔的应用前景。

5 小结

近年来，光孤子通信取得了突破性进展，光纤放大器的应用对孤子放大和传输非常有利。光孤子通信同线性光纤通信相比，无论在技术上还是在经济上都具有明显的优势，在高保真度、长距离传输方面，光孤子通信要优于光强度调制/直接检测方式和相干光通信。目前，全光式光孤子通信系统是新一代超长距离、超高码速的光纤通信系统，更被公认为是光纤通信中最有发展前途、最具开拓性的前沿课题。当然，实际的光孤子通信仍然存在许多技术的难题，但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系统中，有着光明的发展前景。

参考文献：

[1]刘增基，周洋溢等编著.光纤通信.西安：西安电子科技大学出版社.2001.8.

[2]韦乐平.光纤通信技术[M].北京：人民邮电出版社.1994.07.

[3]胡庆.《光纤通信系统与网络（修订版）》.电子出版社.2010.8.

[4]何淑贞，王晓梅.光通信技术的新飞跃.网络电信.2004：36-39.

作者简介：

李峰，男，1978年2月3日出生，2001年7月毕业于吉林大学无线通信专业，本科，工学学士，2001年8月分配到吉林市移动通信分公司网络优化中心工作，一直从事无线网络优化工作。