1、光孤子在光纖通信的應用學院：電氣工程學院 專業：通信1202班 摘要：光纖通信系統不斷地發展，光孤子通信即將被使用在其中，這是新技術的一場革命。論文即將涉及光纖通信的發展過程，并對光孤子關鍵技術的原理及其動態和發展進行論述。使我們進一步了解光孤子在光纖通信的應用。關鍵詞：光孤子；光纖通信 1引言光纖通信應用越來越廣泛，慢慢在有線網絡的各個領域都有涉及，成為了通信網絡發展的大趨勢。當前的光纖網絡具有很多的優點，通信容量大，遠距離傳輸損耗低，傳輸質量好，抗電磁干擾等等優點，我相信，全光網絡很快即將到來。信息傳遞會更方便。在未來，我們的通信技術會更加完善。我們所學習的光纖通信是經過漫長的發展才形成，

2、從最初的烽火臺傳遞信息，到近代19世紀Bell發明了最初的光電話，利用陽光和硒晶體，光電話通過200米的大氣空間，最終傳送了語音信號，實現了信息的傳遞。之后雖然光通信技術進展緩慢，但在1960年激光器的發明，由此產生的強相干光為光通信提供了可靠的光源，隨后光纖的出現大大促進光纖通信的發展。2光孤子通信技術不斷發展，不同技術的應用：波分復用，光放大器技術，光接入網，推動了光通信技術技術不斷的演進。我相信，作為最前沿的研究，光纖孤子通信即將成為第5代光通信系統的核心技術。光纖孤子即光孤子，在19世紀英國工程師S.Russell發現船在行駛過程中，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，美國科學家N.J.Zabusky在研究等離子體孤立波的碰撞過程中，發現孤立波相互碰撞后，不會產生太大的變化。依然保持形狀和速度不變，并保持能量和動量守恒。1973年的時候，“光孤子”首先被A.Hasegawa和F.Tappert提出，1980年，F.Mollenaure等人最先從實驗室中觀測到了光纖中的時間光孤子，從此開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，這種穩定的脈沖必然是發展趨勢。3光孤子通信系統的基礎和組成3.1光孤子通信基礎科學家發現光孤子脈沖具有不變性，因此它的傳輸不需要中繼；在纖

4、放大器的研究過程中，發明的激光二極管泵浦的摻鉺光纖放大器補償了損耗；科學家發現光孤子進行碰撞后，他們進行分離后具有穩定性，為設計波分復用提供了方便；預加重技術的使用，與此同時結合色散位移光纖傳輸，然后結合摻鉺光纖集總信號放大的技術，可以減弱ASE的影響。許多技術是為了以后更好實現光孤子通信和全光網絡做準備。3.2光孤子通信組成孤子源光纖傳輸系統EDFA調制器信號源EDFA-摻鉺光纖放大器光孤子通信系統的基本組成 我必須要在這里強調說明，以現在的科技水平來說，孤子源是一種類似孤子的超短光脈沖源。電信號脈沖源通過調制器，將信號載于光孤子流上，承載的光孤子流經EDFA，經過放大后進入光纖傳輸。4孤子

5、通信的優點我認為在光通信之中，它的目標比較明確，就是為了充分發揮光纖的帶寬潛力，減少光纖損耗及色散的影響，擴大傳輸容量，降低成本，延長中繼距離。所以我們提到的光孤子通信是一種全光非線性通信方案，根據我們對全光非線性通信的了解，知道光纖折射率的非線性效應可以對光脈沖的壓縮，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勢：（1） 多通道波分復用的光孤子通信得以實現，實現大容量信息的傳輸；（2） 在這種通信中，光傳輸系統不會受色散的限制；（3） 此種通信傳輸中失真不會產生，比較適合遠距離的傳輸，中繼距離可達幾百千米；（4） 全光中繼可以實現。孤子脈沖的特殊性質導致繼電器絕熱過程是簡

6、化的放大過程，中繼器被大大的簡化，高效，簡單和經濟；（5） 石英光纖傳輸中，光孤子損耗達到最小；（6） 光孤子使光纖的傳輸容量增大了，甚至比當今最好的通信系統高出幾個數量級，被認為是最有前途的傳輸方式之一；5孤子通信的關鍵技術通過閱讀文獻，了解相關資料，我發現，光孤子在光纖中的傳輸過程，光纖損耗必然對光孤子傳輸產生影響，光孤子之間具有相互作用，高階色散效應對光孤子傳輸產生很大的影響等等。所以光孤子通信主要涉及以下的技術。5.1適合光孤子傳輸的光纖技術在研究光孤子通信系統中，光孤子沿著光纖傳輸會產生一定的變化。我們如果想確定能量補充的中繼距離，必須研究光孤子（特殊光纖參數）傳輸的距離。特定的光纖

7、有不同的用處，經過多次的實驗，科學家發現，色散位移單模光纖之所以成為光孤子通信系統的傳輸媒質，是因為光孤子的峰值功率與光纖色散的平方成反比，可以長距離采用。與此同時，色散零點原本是1.3m，增加到了1.55m處，高效利用了色散零點。5.2孤子光源技術孤子光源是光孤子通信的另一關鍵部件，基階光孤子可由其直接產生（雙曲正割形式是前提）。為了防止產生畸變，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。根據理論分析，振幅必須達到一定條件，與此同時輸出的光脈沖必須為嚴格的雙曲正割形，光纖中光孤子才可以穩定地傳輸。根據資料的顯示，我們會發現， 我們所使用的鎖模半導體激光器經常作為光孤子

8、源，特點是輸出光脈沖是高斯形的，具有較小功率，如果其產生的光孤子源經光纖放大器放大后，光孤子傳輸的峰值功率就可以實現。科學家進行了大量實驗驗證，發現波形在光孤子傳輸過程中，其要求并不嚴格。在色散光纖中傳輸時，高斯光脈沖會由于非線性自相位調制與色散效應共同作用，光脈沖發生變化，中心產生雙曲正割形，孤子光源因而就可以產生。5.3光孤子的放大技術研究表明，全光孤子放大器是光孤子通信系統極為重要的器件，可為光端機的前置放大器，全光中繼器也可以實現。由于光纖損耗是不可以避免的，它必將會導致一個后果，那就是使孤子的能量不斷削弱減少。所以，我們采用最簡單的放大形勢是沿著光纖周期性地加一些光發大器，其增益調整

9、到正好補償兩個放大器之間的光纖損耗。放大器的設計，重要的參數就是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,用來避免孤子在幅度。寬度和能量上發生的較大變化。我們發現之所以L越小，是因為孤子脈沖越窄。我們如果采用色散位移光纖，L可以增大到3050km。下面我們介紹的動態孤子傳輸法，它是集中放大器系統的主體方案，是目前最常用的技術。它采用摻鉺光纖放大器 ，它具有增益高、插入損耗小、噪聲低等優點，還有增益與輸入光信號無關的優點。它可以提高通信的容量，使孤子保持超長距離傳輸，而且可以使放大器間距大于70km以上，此方法的穩定性已得到理論和試驗的證明。所以光放大

10、的技術很重要，可以說是全光孤子通信的重中之重，是必須解決的首要問題。采用放大器之間，熱噪聲是無法避免的，它可以與孤子相互作用后，產生戈登-豪斯效應，容易限制孤子傳輸系統容量，影響放大器間隔。抑制戈登-豪斯效應可以采用在放大器后加一個帶通濾波器，使光孤子順利傳播。5.4光孤子開關技術光孤子開關分為自觸發開關和他觸發開關兩類。自觸發開關是由光孤子自身特性變化引起的，例如孤子能量的變化、偏振態的變化和孤子自頻移的改變等；他觸發開關通常是用一個孤子來控制另一個孤子，也可利用外電場、磁場來控制，其發展趨勢是利用非孤子脈沖控制孤子脈沖。目前開發的有X型耦合、干涉型和偏振光孤子開關等。 干涉型全光開關是當前

11、很成功的一類光孤子開關，這種耦合光纖環路是邏輯開關最基本的組合單元，它充分利用光孤子相干的性質。耦合光纖環路干涉型全光孤子開關將孤子射入與它耦合的光纖環路中，耦合光纖環路使孤子反射或通過。光纖環路的開和關只決定于孤子的強度，不受外界影響，恰當選擇孤子是實驗成功的關鍵，孤子不會在光纖中消散。在實驗中，光脈沖的持續時間是s量級。在這樣短的時間里，光所經過的距離不超過0.1nm，各個光脈沖完成各自接通所需的能量很小，約J量級，是當今所報道的所有光開關的最低轉換能量。光孤子開關最大的特點是它的效率高，可以達到很快的速度，甚至可以到s量級，開關轉換率非常高（可達100%），其實在光孤子通信中還有較為特殊

12、的技術，預加重技術可以使進入光纖的脈沖峰值功率大于基態孤子所要求的峰值功率，長距離穩定傳輸的光孤子由此產生。我相信，新的技術會不斷出現，全光網絡的時代即將到來。6 光孤子通信技術現狀及趨勢6.1國內光孤子通信的動態我國的光孤子通信研究起步比較早，大約從1984年開始，我國科學家就開始研究光孤子，在光孤子研究方面取得了顯著的成果。目前我國的理論研究工作已很進步，對于正散射區和反散射區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“863”研究項目對光纖通信進行研究，最后發現的“OTDM光孤子通信關鍵技術”通過了專家驗收。該項目組取得很多成功，例如：采用非線性光學環路實現2.5-

13、20Gbit/s的解復用，用色散補償光纖對光脈沖進行壓縮等等。我認為，我們必須認識到我國的工業水平較低，特別是高新技術基礎比較薄弱，而且我國對光孤子通信投入較少，進展還是比較緩慢。6.2國外光孤子通信的動態 多年來，光孤子通信的研究不僅僅涉及理論了，更多的是一些現場的測試。國外已計劃進行了一系列的孤子現場試驗，并取得了成功。下面我就找了幾個成功的試驗：6.3對光孤子通信前景展望在當前情況下，光孤子傳輸實驗的最高傳輸碼率為160Gb/s，今后還會使用fs級光孤子通信，其碼率和傳輸距離還可以有很大的提高。我相信，在未來的光纖通信通信中，光孤子通信將占據主要的地位，光孤子通信系統將成為未來信息高速公

14、路的基石。在未來的光孤子通信研究中，會有不同的組合功能部件的研制，例如：能量中繼站的開發，邏輯工作站的研究，信道分合處理的研制，這些器件的進一步研究將快速推進光通信的發展。在光孤子通信中，暗孤子也存在，相比亮孤子，其有許多的優點，暗孤子的產生是非線性薛定諤方程在正常色散介質中的孤子解，強度分布一個凹陷脈沖，在介質內傳播時，下凹脈沖形狀不發生變化，即為暗孤子。暗孤子將來必然會結合光孤子，給我們帶來更多價值。我相信，全光通信是光孤子通信系統實現目標，利用光節點工作，不需要在光纖線路中加裝電子元器件。與此同時，它也可以在高溫下工作，克服色散對光纖通信系統性能進一步提高的限制，全光網絡必將極大的提高傳輸容量。我相信，未來的社會信息傳遞會更加迅速，便捷且安全。參考文獻1宋有才.光孤子通信