Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: ( 26 )光孤子通信及其关键技术
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May 10 14:02:45 2003) , 转信

光孤子通信及其关键技术
于洋 刘喜斌
光孤子是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。一束光脉冲包含许多不同的
频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散
，使得脉宽展宽。但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应
，即介质的折射率随光强而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产
生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比
其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好
抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光
孤子。若脉冲幅度继续增大时，变窄效应将超过变宽效应，则形成高阶光孤子，它在光
纤中传输的脉冲形状将发生连续变化，首先压缩变窄，然后分裂，在特定距离处脉冲周
期性地复原。
光孤子的特点决定了它在通信领域的应用前景。通常将基阶光孤子用于通信，因为
它在整个传播过程中没有任何变化。光孤子通信具有以下特点：
（1） 容量大：传输码率一般可达20Gb/s，最高可达100Gb/s以上；
（2）误码率低和抗干扰能力强：基阶光孤子在传输过程中保持不变及孤子的绝热特性决
定了孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于10-12的无差错光
纤通信；
（3）可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输极远
距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂
过程。
过程。
光孤子通信的关键技术
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
在光纤线路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，为降低成本，L越大越好，但L要受到许多因素的限制，一般只有10～
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30～50km。采用预加重法可以获得较大一点的L值，即使输
入脉冲峰值功率比基阶光孤子要求的略大，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，它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
，由于拉曼效应使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。
目前光孤子放大的主体方案是采用适用于集中放大器系统的动态孤子传输法，它是
用掺铒光纤放大器（EDFA）来实现的。EDFA具有增益高、噪声低、饱和输出大、插入损
耗小、增益与输入光信号的光学特性无关等优点。利用EDFA可将通信容量提高100倍以上
。用EDFA进行放大可使孤子保持超长距离（>10000km）传输，而且放大器的间距可提高
到70km以上。
距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂
过程。
过程。
光孤子通信的关键技术
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
在光纤线路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，为降低成本，L越大越好，但L要受到许多因素的限制，一般只有10～
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30～50km。采用预加重法可以获得较大一点的L值，即使输
入脉冲峰值功率比基阶光孤子要求的略大，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，它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
，由于拉曼效应使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。
目前光孤子放大的主体方案是采用适用于集中放大器系统的动态孤子传输法，它是
用掺铒光纤放大器（EDFA）来实现的。EDFA具有增益高、噪声低、饱和输出大、插入损
耗小、增益与输入光信号的光学特性无关等优点。利用EDFA可将通信容量提高100倍以上
。用EDFA进行放大可使孤子保持超长距离（>10000km）传输，而且放大器的间距可提高
到70km以上。
。这对于传送多于100亿个0、1数字信号的有实际意义的光孤子通信系统是十分可贵的。
孤子时间抖动控制技术
孤子时间抖动是指孤子到达接收端时间的随机变化，它会使接收端对接收光功率的
要求提高，并且孤子在其比特时间内抖动较大时可能形成误码。孤子时间抖动主要由放
大器自发辐射的噪声和孤子自频率移动所引起。对于放大器自发辐射的噪声引起的时间
抖动，可采用以下两种方法来减小：一是在光纤链路中采用一个LiNbO3调制器而得到克
服，或在每一个放大器后加一个光滤波器；二是采用色散补偿技术。它分为：（1）周期
性集中补偿，在每一只光放大器前接入一段正色散光纤对色散进行周期性集中补偿；（
2）周期性分布补偿，用色散值较小的正色散光纤作为传输线路的一部分，与负色散光纤
交替连接，而系统的平均色散值仍为负值，输入孤子功率按平均色散值设计；（3）终端
色散补偿，在光纤线路终端接入一段正色散光纤来控制孤子的定时抖动。只有在超短孤
子脉冲（脉冲宽度<10ps）的情况下，孤子自频率移动引起的时间抖动才显得重要，而且
采用特殊掺杂（如稀土元素）光纤可以消除自频率移动，同时也能沿整个光纤对光孤子
提供分布式的增益，可以省去EDFA，这无疑是超高速光孤子通信系统（码率>50Gb/s）所
必须的。
光孤子－呼吸子通信方案
前面指出，在光孤子通信中应避免孤子之间的相互作用，但如何系统完整地考察物
理信道中一切可能出现的码元序列的演化规律，不是完全回避码元相互作用，而是充分
利用其规律，以提高光通信系统的有效性和可靠性，这正是光孤子通信理论所要解决的
基本问题。下面给出的光孤子－呼吸子通信方案将不回避而是利用码元之间强烈相互作
用。孤子码群之间的相互作用是以一个相当小的速度传递的，因此对于有限长的通信系
统，孤子脉冲之间的关联距离是很短的。分析表明，通过研究有限个有限长的特殊编码
孤子序列的演化过程，可以完整地了解无限长任意编码孤子序列的演化过程。光孤子－
呼吸子通信方案是以高码元速率特殊编码基阶光孤子序列作为注入信号，以光孤子－呼
吸子序列作为检测信号，其中呼吸子代表二进制数字序列中若干个相邻的“1”，若相邻
“1”的个数为P，则称为P－呼吸子。有趣的是，在传输线的不同点上，P－呼吸子的光
强分布是不同的，而且由于光纤的色散效应和自相位调制的综合作用，这种光强分布的
演化呈现出周期性的振荡，时而分开，酷似P个相邻的基阶孤子（但相位完全不同），呈
现出所传送码字的真实面目；时而聚集起来，光强分布变化莫测，所传送的码字无从识
别。而且在这复杂的演化过程中，构成P－呼吸子的信号光场的能量（在理想情况下）并
不辐射为信道噪声，而始终局限在特定的P个码元位置之内。通过调整系统设计参数，能
够使系统在指定区段上检测到正确信号，而在其他区段上则检测出错误信号，这对光通
信系统的保密性有帮助，但不利于工程应用。目前所采用的光孤子通信系统实验要求码
距脉宽比为6:1或更大，而在光孤子－呼吸子通信方案中，码距脉宽比可取为3:1，从而
可较大幅度地提高系统信息速率。另外，在不增大数据传输速率时，采用这种方案可使
放大器间距增大4倍。如果能够设计出新型的检测装置以在光纤线路上的任意位置可以检
测出光孤子－呼吸子信号流所载信息，则这种系统无疑将成为实用化的高速率非线性光
纤通信系统。
实验研究进展
光孤子通信是实现超长距离高速通信的重要手段，它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孤子传输实验的基础上，又完成了20Gb/s、200km和10Gb/s、1
000km直通传输实验。有人用光纤环路的形式来验证光孤子通信的最终潜力，先后成功地
进行了2.4Gb/s传输12000km、2.5Gb/s传输14000km、32.4Gb/s传输12000km等等。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。如果整个传输光纤本身都轻微掺杂受到泵浦而以分布方
式补偿光纤损耗，则系统的性能可大大改善。目前人们正努力研究这种“无损耗”光纤
，有一实验已证实短至450fs的孤子脉冲沿掺铒光纤传输了18.2km。另外采用波分复用技
术，孤子通信系统的有效码率可提高几倍，利用偏振复用，正交偏振的孤子以两个信道
同时在光纤中传输，可以进一步提高码率。总之，尽管光孤子通信要真正实用化尚需解
决一系列具体问题，但人们相信在不久的将来这一技术一定会被推广和应用。



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