1、光孤子在光纖通信的應(yīng)用學(xué)院：電氣工程學(xué)院 專業(yè)：通信1202班 摘要：光纖通信系統(tǒng)不斷地發(fā)展，光孤子通信即將被使用在其中，這是新技術(shù)的一場(chǎng)革命。論文即將涉及光纖通信的發(fā)展過(guò)程，并對(duì)光孤子關(guān)鍵技術(shù)的原理及其動(dòng)態(tài)和發(fā)展進(jìn)行論述。使我們進(jìn)一步了解光孤子在光纖通信的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光孤子；光纖通信 1引言光纖通信應(yīng)用越來(lái)越廣泛，慢慢在有線網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)領(lǐng)域都有涉及，成為了通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大趨勢(shì)。當(dāng)前的光纖網(wǎng)絡(luò)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，通信容量大，遠(yuǎn)距離傳輸損耗低，傳輸質(zhì)量好，抗電磁干擾等等優(yōu)點(diǎn)，我相信，全光網(wǎng)絡(luò)很快即將到來(lái)。信息傳遞會(huì)更方便。在未來(lái)，我們的通信技術(shù)會(huì)更加完善。我們所學(xué)習(xí)的光纖通信是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的發(fā)展才形成，

2、從最初的烽火臺(tái)傳遞信息，到近代19世紀(jì)Bell發(fā)明了最初的光電話，利用陽(yáng)光和硒晶體，光電話通過(guò)200米的大氣空間，最終傳送了語(yǔ)音信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了信息的傳遞。之后雖然光通信技術(shù)進(jìn)展緩慢，但在1960年激光器的發(fā)明，由此產(chǎn)生的強(qiáng)相干光為光通信提供了可靠的光源，隨后光纖的出現(xiàn)大大促進(jìn)光纖通信的發(fā)展。2光孤子通信技術(shù)不斷發(fā)展，不同技術(shù)的應(yīng)用：波分復(fù)用，光放大器技術(shù)，光接入網(wǎng)，推動(dòng)了光通信技術(shù)技術(shù)不斷的演進(jìn)。我相信，作為最前沿的研究，光纖孤子通信即將成為第5代光通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。光纖孤子即光孤子，在19世紀(jì)英國(guó)工程師S.Russell發(fā)現(xiàn)船在行駛過(guò)程中，它最前方水峰基本保持不變，從而提出了孤立波的概念，在

3、1965年，美國(guó)科學(xué)家N.J.Zabusky在研究等離子體孤立波的碰撞過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)孤立波相互碰撞后，不會(huì)產(chǎn)生太大的變化。依然保持形狀和速度不變，并保持能量和動(dòng)量守恒。1973年的時(shí)候，“光孤子”首先被A.Hasegawa和F.Tappert提出，1980年，F(xiàn).Mollenaure等人最先從實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到了光纖中的時(shí)間光孤子，從此開(kāi)始了光孤子通信的研究。光孤子，是一種特殊形式的超短脈沖，光孤子在傳播過(guò)程中，它的形狀，幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。在未來(lái)，這種穩(wěn)定的脈沖必然是發(fā)展趨勢(shì)。3光孤子通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)和組成3.1光孤子通信基礎(chǔ)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光孤子脈沖具有不變性，因此它的傳輸不需要中繼；在纖

4、放大器的研究過(guò)程中，發(fā)明的激光二極管泵浦的摻鉺光纖放大器補(bǔ)償了損耗；科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光孤子進(jìn)行碰撞后，他們進(jìn)行分離后具有穩(wěn)定性，為設(shè)計(jì)波分復(fù)用提供了方便；預(yù)加重技術(shù)的使用，與此同時(shí)結(jié)合色散位移光纖傳輸，然后結(jié)合摻鉺光纖集總信號(hào)放大的技術(shù)，可以減弱ASE的影響。許多技術(shù)是為了以后更好實(shí)現(xiàn)光孤子通信和全光網(wǎng)絡(luò)做準(zhǔn)備。3.2光孤子通信組成孤子源光纖傳輸系統(tǒng)EDFA調(diào)制器信號(hào)源EDFA-摻鉺光纖放大器光孤子通信系統(tǒng)的基本組成 我必須要在這里強(qiáng)調(diào)說(shuō)明，以現(xiàn)在的科技水平來(lái)說(shuō)，孤子源是一種類似孤子的超短光脈沖源。電信號(hào)脈沖源通過(guò)調(diào)制器，將信號(hào)載于光孤子流上，承載的光孤子流經(jīng)EDFA，經(jīng)過(guò)放大后進(jìn)入光纖傳輸。4孤子

5、通信的優(yōu)點(diǎn)我認(rèn)為在光通信之中，它的目標(biāo)比較明確，就是為了充分發(fā)揮光纖的帶寬潛力，減少光纖損耗及色散的影響，擴(kuò)大傳輸容量，降低成本，延長(zhǎng)中繼距離。所以我們提到的光孤子通信是一種全光非線性通信方案，根據(jù)我們對(duì)全光非線性通信的了解，知道光纖折射率的非線性效應(yīng)可以對(duì)光脈沖的壓縮，可以和群色散引起的光脈沖展寬相平衡，因此我們得出光孤子通信的優(yōu)勢(shì)：（1） 多通道波分復(fù)用的光孤子通信得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)大容量信息的傳輸；（2） 在這種通信中，光傳輸系統(tǒng)不會(huì)受色散的限制；（3） 此種通信傳輸中失真不會(huì)產(chǎn)生，比較適合遠(yuǎn)距離的傳輸，中繼距離可達(dá)幾百千米；（4） 全光中繼可以實(shí)現(xiàn)。孤子脈沖的特殊性質(zhì)導(dǎo)致繼電器絕熱過(guò)程是簡(jiǎn)

6、化的放大過(guò)程，中繼器被大大的簡(jiǎn)化，高效，簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)；（5） 石英光纖傳輸中，光孤子損耗達(dá)到最小；（6） 光孤子使光纖的傳輸容量增大了，甚至比當(dāng)今最好的通信系統(tǒng)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，被認(rèn)為是最有前途的傳輸方式之一；5孤子通信的關(guān)鍵技術(shù)通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，了解相關(guān)資料，我發(fā)現(xiàn)，光孤子在光纖中的傳輸過(guò)程，光纖損耗必然對(duì)光孤子傳輸產(chǎn)生影響，光孤子之間具有相互作用，高階色散效應(yīng)對(duì)光孤子傳輸產(chǎn)生很大的影響等等。所以光孤子通信主要涉及以下的技術(shù)。5.1適合光孤子傳輸?shù)墓饫w技術(shù)在研究光孤子通信系統(tǒng)中，光孤子沿著光纖傳輸會(huì)產(chǎn)生一定的變化。我們?nèi)绻氪_定能量補(bǔ)充的中繼距離，必須研究光孤子（特殊光纖參數(shù)）傳輸?shù)木嚯x。特定的光纖

7、有不同的用處，經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，色散位移單模光纖之所以成為光孤子通信系統(tǒng)的傳輸媒質(zhì)，是因?yàn)楣夤伦拥姆逯倒β逝c光纖色散的平方成反比，可以長(zhǎng)距離采用。與此同時(shí)，色散零點(diǎn)原本是1.3m，增加到了1.55m處，高效利用了色散零點(diǎn)。5.2孤子光源技術(shù)孤子光源是光孤子通信的另一關(guān)鍵部件，基階光孤子可由其直接產(chǎn)生（雙曲正割形式是前提）。為了防止產(chǎn)生畸變，使光孤子有效傳播，激光器必須有足夠的輸出功率，譜線寬度要盡可能窄。根據(jù)理論分析，振幅必須達(dá)到一定條件，與此同時(shí)輸出的光脈沖必須為嚴(yán)格的雙曲正割形，光纖中光孤子才可以穩(wěn)定地傳輸。根據(jù)資料的顯示，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)， 我們所使用的鎖模半導(dǎo)體激光器經(jīng)常作為光孤子

8、源，特點(diǎn)是輸出光脈沖是高斯形的，具有較小功率，如果其產(chǎn)生的光孤子源經(jīng)光纖放大器放大后，光孤子傳輸?shù)姆逯倒β示涂梢詫?shí)現(xiàn)。科學(xué)家進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)波形在光孤子傳輸過(guò)程中，其要求并不嚴(yán)格。在色散光纖中傳輸時(shí)，高斯光脈沖會(huì)由于非線性自相位調(diào)制與色散效應(yīng)共同作用，光脈沖發(fā)生變化，中心產(chǎn)生雙曲正割形，孤子光源因而就可以產(chǎn)生。5.3光孤子的放大技術(shù)研究表明，全光孤子放大器是光孤子通信系統(tǒng)極為重要的器件，可為光端機(jī)的前置放大器，全光中繼器也可以實(shí)現(xiàn)。由于光纖損耗是不可以避免的，它必將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)后果，那就是使孤子的能量不斷削弱減少。所以，我們采用最簡(jiǎn)單的放大形勢(shì)是沿著光纖周期性地加一些光發(fā)大器，其增益調(diào)整

9、到正好補(bǔ)償兩個(gè)放大器之間的光纖損耗。放大器的設(shè)計(jì)，重要的參數(shù)就是L。為了降低成本，L越大越好，但L要受到許多因素的限制，一般只能傳10km到30km,用來(lái)避免孤子在幅度。寬度和能量上發(fā)生的較大變化。我們發(fā)現(xiàn)之所以L越小，是因?yàn)楣伦用}沖越窄。我們?nèi)绻捎蒙⑽灰乒饫w，L可以增大到3050km。下面我們介紹的動(dòng)態(tài)孤子傳輸法，它是集中放大器系統(tǒng)的主體方案，是目前最常用的技術(shù)。它采用摻鉺光纖放大器 ，它具有增益高、插入損耗小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，還有增益與輸入光信號(hào)無(wú)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。它可以提高通信的容量，使孤子保持超長(zhǎng)距離傳輸，而且可以使放大器間距大于70km以上，此方法的穩(wěn)定性已得到理論和試驗(yàn)的證明。所以光放大

10、的技術(shù)很重要，可以說(shuō)是全光孤子通信的重中之重，是必須解決的首要問(wèn)題。采用放大器之間，熱噪聲是無(wú)法避免的，它可以與孤子相互作用后，產(chǎn)生戈登-豪斯效應(yīng)，容易限制孤子傳輸系統(tǒng)容量，影響放大器間隔。抑制戈登-豪斯效應(yīng)可以采用在放大器后加一個(gè)帶通濾波器，使光孤子順利傳播。5.4光孤子開(kāi)關(guān)技術(shù)光孤子開(kāi)關(guān)分為自觸發(fā)開(kāi)關(guān)和他觸發(fā)開(kāi)關(guān)兩類。自觸發(fā)開(kāi)關(guān)是由光孤子自身特性變化引起的，例如孤子能量的變化、偏振態(tài)的變化和孤子自頻移的改變等；他觸發(fā)開(kāi)關(guān)通常是用一個(gè)孤子來(lái)控制另一個(gè)孤子，也可利用外電場(chǎng)、磁場(chǎng)來(lái)控制，其發(fā)展趨勢(shì)是利用非孤子脈沖控制孤子脈沖。目前開(kāi)發(fā)的有X型耦合、干涉型和偏振光孤子開(kāi)關(guān)等。 干涉型全光開(kāi)關(guān)是當(dāng)前

11、很成功的一類光孤子開(kāi)關(guān)，這種耦合光纖環(huán)路是邏輯開(kāi)關(guān)最基本的組合單元，它充分利用光孤子相干的性質(zhì)。耦合光纖環(huán)路干涉型全光孤子開(kāi)關(guān)將孤子射入與它耦合的光纖環(huán)路中，耦合光纖環(huán)路使孤子反射或通過(guò)。光纖環(huán)路的開(kāi)和關(guān)只決定于孤子的強(qiáng)度，不受外界影響，恰當(dāng)選擇孤子是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，孤子不會(huì)在光纖中消散。在實(shí)驗(yàn)中，光脈沖的持續(xù)時(shí)間是s量級(jí)。在這樣短的時(shí)間里，光所經(jīng)過(guò)的距離不超過(guò)0.1nm，各個(gè)光脈沖完成各自接通所需的能量很小，約J量級(jí)，是當(dāng)今所報(bào)道的所有光開(kāi)關(guān)的最低轉(zhuǎn)換能量。光孤子開(kāi)關(guān)最大的特點(diǎn)是它的效率高，可以達(dá)到很快的速度，甚至可以到s量級(jí)，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換率非常高（可達(dá)100%），其實(shí)在光孤子通信中還有較為特殊

12、的技術(shù)，預(yù)加重技術(shù)可以使進(jìn)入光纖的脈沖峰值功率大于基態(tài)孤子所要求的峰值功率，長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸?shù)墓夤伦佑纱水a(chǎn)生。我相信，新的技術(shù)會(huì)不斷出現(xiàn)，全光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代即將到來(lái)。6 光孤子通信技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)6.1國(guó)內(nèi)光孤子通信的動(dòng)態(tài)我國(guó)的光孤子通信研究起步比較早，大約從1984年開(kāi)始，我國(guó)科學(xué)家就開(kāi)始研究光孤子，在光孤子研究方面取得了顯著的成果。目前我國(guó)的理論研究工作已很進(jìn)步，對(duì)于正散射區(qū)和反散射區(qū)等各種非線性薛定鍔方程有較深的研究，獲得了多種形式的孤子解。我國(guó)“863”研究項(xiàng)目對(duì)光纖通信進(jìn)行研究，最后發(fā)現(xiàn)的“OTDM光孤子通信關(guān)鍵技術(shù)”通過(guò)了專家驗(yàn)收。該項(xiàng)目組取得很多成功，例如：采用非線性光學(xué)環(huán)路實(shí)現(xiàn)2.5-

13、20Gbit/s的解復(fù)用，用色散補(bǔ)償光纖對(duì)光脈沖進(jìn)行壓縮等等。我認(rèn)為，我們必須認(rèn)識(shí)到我國(guó)的工業(yè)水平較低，特別是高新技術(shù)基礎(chǔ)比較薄弱，而且我國(guó)對(duì)光孤子通信投入較少，進(jìn)展還是比較緩慢。6.2國(guó)外光孤子通信的動(dòng)態(tài) 多年來(lái)，光孤子通信的研究不僅僅涉及理論了，更多的是一些現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試。國(guó)外已計(jì)劃進(jìn)行了一系列的孤子現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并取得了成功。下面我就找了幾個(gè)成功的試驗(yàn)：6.3對(duì)光孤子通信前景展望在當(dāng)前情況下，光孤子傳輸實(shí)驗(yàn)的最高傳輸碼率為160Gb/s，今后還會(huì)使用fs級(jí)光孤子通信，其碼率和傳輸距離還可以有很大的提高。我相信，在未來(lái)的光纖通信通信中，光孤子通信將占據(jù)主要的地位，光孤子通信系統(tǒng)將成為未來(lái)信息高速公

14、路的基石。在未來(lái)的光孤子通信研究中，會(huì)有不同的組合功能部件的研制，例如：能量中繼站的開(kāi)發(fā)，邏輯工作站的研究，信道分合處理的研制，這些器件的進(jìn)一步研究將快速推進(jìn)光通信的發(fā)展。在光孤子通信中，暗孤子也存在，相比亮孤子，其有許多的優(yōu)點(diǎn)，暗孤子的產(chǎn)生是非線性薛定諤方程在正常色散介質(zhì)中的孤子解，強(qiáng)度分布一個(gè)凹陷脈沖，在介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，下凹脈沖形狀不發(fā)生變化，即為暗孤子。暗孤子將來(lái)必然會(huì)結(jié)合光孤子，給我們帶來(lái)更多價(jià)值。我相信，全光通信是光孤子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，利用光節(jié)點(diǎn)工作，不需要在光纖線路中加裝電子元器件。與此同時(shí)，它也可以在高溫下工作，克服色散對(duì)光纖通信系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高的限制，全光網(wǎng)絡(luò)必將極大的提高傳輸容量。我相信，未來(lái)的社會(huì)信息傳遞會(huì)更加迅速，便捷且安全。參考文獻(xiàn)1宋有才.光孤子通信