光孤子传输系统是什么

光孤子传输系统由孤子源、调制器、传输介质、光放大器、光探测器、判决器(或解调器)等组成。一种使用光纤作为传输介质将信息调制成孤子进行通信的系统。

一种使用光纤作为传输介质将信息调制成孤子进行通信的系统。

词源

孤子的概念源于孤波。1844年，苏格兰海军工程师约翰·斯科特·阿瑟观察了船在河中运动形成的驼峰，发现当船突然停下来时，被推到船前的水波仍然保持原来的形状、幅度和速度，过了很久才消失。这就是著名的孤波现象。1973年，威斯康星大学的斯科特等人给出了孤子的一般定义，它是非线性波动方程的孤波解，遇到其他类似的孤波后，其振幅、形状和速度保持不变。“孤子”这个名字的由来，恰恰是因为它的类粒子特性。

影响

在传统的线性光纤通信系统中，限制传输容量和距离的主要因素是光纤的损耗和色散。随着光纤制造技术的提高，光纤损耗接近理论极限，光纤色散成为实现超大容量光纤通信亟待解决的问题。由于光纤的色散，光脉冲中不同波长的光传播速度不一致，导致光脉冲展宽，限制了传输容量和距离。光孤子的形成依赖于光纤的非线性来抵消光纤色散的影响，因此利用光孤子进行通信可以很好地解决这个问题。

光纤群速度色散和光纤非线性的相互作用使得孤子在光纤中稳定存在。当工作波长大于1.3μm时，光纤呈现负群速度色散，即脉冲中的高频分量传播快，而低频分量传播慢。另一方面，在强输入光场的作用下，光纤中发生了很强的非线性克尔效应，即光纤的折射率与光场强度成正比，使得脉冲相位与光场强度成正比，即自拉调制，导致低脉冲前频率和高脉冲后频率。因此，脉冲后沿比脉冲前沿移动得快，造成脉冲压缩效应。当这种压缩效应与仅由色散引起的脉冲展宽效应相平衡时，就产生了束缚光脉冲-光孤子，它可以传播很远而不改变其形状和速度。这就是所谓的基态孤子。其形状为双曲正割，其演化过程如图1(a)所示。随着光脉冲功率的进一步增加，会形成高阶孤子，其特性在传输过程中会发生周期性变化。图1(b)显示了三阶孤子的演化过程。

图1光孤子的传播

光纤的正群速色散区也可以产生孤子，但这种孤子称为暗孤子，如图2(b)所示，而负群速色散区产生的孤子称为亮孤子。暗孤子也可以用于通信，这是一个有待进一步研究的问题。

图2亮孤子(a)和暗孤子(b)

组成

与一般通信系统类似，光孤子传输系统由孤子源、调制器、传输介质、光放大器、光探测器、决策者(或解调器)等组成。

孤子激光器产生光孤子脉冲。一般光孤子通信系统中使用的孤子源不是严格意义上的孤子激光器，而是类孤子超短光脉冲源，产生满足基本光孤子能量和光谱要求的超短脉冲，这种超短光脉冲通过光纤传输时自动压缩整形形成光孤子。最早的孤子源是锁模色心激光器，输出功率高，容易观察到孤子现象，但它是大体积的固态激光器，不适合光纤通信系统。半导体激光器是一种适用于光纤通信系统的光源。理想的孤子源有锁模半导体激光器、增益开关分布反馈半导体激光器等。锁模半导体激光器产生的短光脉冲特性好，但光孤子源稳定性差，结构复杂，后者激光器依靠大电流注入形成窄脉冲，结构简单，重复频率可调，但产生的光脉冲啁啾大，需要去啁啾后才能进入光纤。

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介质采用色散位移单模光纤，将色散零点从1.3μm移动到1.55μm，既满足了1.55μm处的低色散要求，又利用了1.55 μ m附近光纤的低损耗特性。

光纤的损耗必然会消耗孤子能量。当能量不满足形成孤子的条件时，脉冲失去孤子特性而膨胀。只要给孤子补充能量，孤子就会自动成形。利用孤子的这一特性，可以实现全光中继。不再需要像传统光纤通信系统那样在中继站进行光-电-光转换，实现全光传输。长距离光孤子传输的原始实验是通过拉曼放大来补偿孤子能量，即通过光纤的受激拉曼散射将泵浦光的能量转化为信号光的能量。掺铒光纤放大器已经成为一种较为理想的能量补偿手段，它的成功应用极大地推动了光孤子传输研究的进展。

每隔30 ~ 50 km增加一个掺铒光纤放大器，这是一种集总能量补偿方法。在这样的系统中，如果放大器之间的距离远小于孤子的特征长度，就可以形成所谓的“导向中心孤子”(或路径平均孤子)，可以稳定地长距离传输。即使光纤的色散发生抖动，孤子也是稳定的。当放大器之间的距离与孤子的特征长度相当时，如果进入光纤的脉冲峰值功率大于接地孤子所需的峰值功率，则形成的孤子也能稳定地长距离传输，通常称为预加重技术或动态光孤子通信。集总掺铒光纤放大器系统中光孤子的稳定传输是光孤子通信实际应用的关键。而且容易实现波分复用(即使用不同波长的光孤子在同一光纤中传输)和偏振复用(即使用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输)，进一步提高了传输容量。

然而，光放大器的使用不可避免地会带来自发辐射噪声，这是一种热噪声。与孤子相互作用后，引起孤子中心频率的随机抖动，进而引起孤子到达时间的抖动，即戈登-豪斯效应。这种现象是限制孤子传输系统容量、放大器间隔等系统指标的重要因素。戈登-豪斯效应可以通过在放大器后增加一个带通滤波器来抑制。

光孤子的形成和传播

光孤子的形成机制；

目前常用的通信光纤的波长λ分别为1.3 m和1.55 m，对应于群速度色散(GVD)为负值的区域(异常色散区域)，满足群速度vg = d ω /dβ(ω为载波频率，β为光波数)的要求，即群速度与载波频率成正比，那么光脉冲中不同频率的分量将以不同的速度传播，产生脉冲色散；当存在自相位调制(SPM)时，光脉冲中存在正啁啾，即前导部分的载波频率低，拖尾部分的载波频率高。光纤传输时，前导传输速度慢，拖尾传输速度快，因此光脉冲被压缩。可以看出，如果这种压缩只是抵消光纤色散引起的脉冲展宽，那么光脉冲宽度将保持不变。这种在光纤中不变形传输的光脉冲称为光孤子。由此可见，光孤子的形成机制是反常色散区中群速度色散(GVD)和自相位调制(SPM)之间的精确平衡。

支持技术

5.1孤子放大

由于光纤损耗的存在，孤子的能量会不断降低，削弱补偿色散展宽的非线性自相位调制效应，从而展宽光脉冲，严重影响光孤子的长距离大容量传输。因此，在光纤通信系统中，光孤子需要在光纤线路中以规则的间隔被放大。可以说，孤子放大技术是光孤子通信系统传输距离和容量的决定性因素。

目前基本上有两种孤子放大技术，一种是分布式光放大器，采用受激拉曼散射(SRS)放大或分布式掺铒光纤放大器(EDFA)；另一种是集总光放大法，利用集总掺铒光纤放大器(E D F A)放大孤子。

SRS光放大器利用传输本身的SRS效应来补偿孤子能量。其基本思想是，当两种不同频率的光波在同一根光纤中传输时，由于光纤的非线性效应，高频泵浦光波的一部分能量转移到低频光孤子光波中，光孤子信号的能量得到补偿。SRS放大的优点是光纤本身成为光放大介质。因为是分布式放大，所以周期扰动小。只要泵浦周期小于孤子周期的8倍，孤子就可以稳定传输。同时它也有自己的缺点，就是SRS放大器的泵浦效率很低，只有0.1dB/mV左右。为了实现实际增益，泵浦功率必须在数百毫瓦，这是半导体激光器难以实现的；SRS放大器仍然存在噪声，因此这种方法离光孤子通信的实际应用还很远。

分布式EDFA采用低浓度掺铒光纤作为传输介质，利用其受激放大增益补偿光纤损耗。这种放大器最大的特点是直接放大光信号，在实践中得到广泛应用。如图3所示，掺铒光纤连接到光纤传输线，泵浦功率通过光纤耦合器进入光纤，掺铒光纤被泵浦产生受激辐射，放大工作频段的光信号。分布式EDFA的优点是增益效率高(高达2 ~ 40.1分贝/毫伏)，泵浦功率几十毫瓦，可以使用半导体激光器。低插入损耗、低噪声、通信容量大、泵站间隔长(比集总式长2倍以上)。其缺点是传输介质必须使用掺铒光纤，成本高。集总放大是连接一段集总光纤放大器(目前通常使用EDFA)来补偿光纤线路中一定距离Ld处孤子的能量损失。这是目前光孤子通信应用的主要方案，经济实用。其缺点是孤子幅度和能量波动大，产生色散波，稳定性不如分布式。

5.2 ASE噪声控制

对于超长距离光孤子传输系统，通常使用数百甚至数千个掺铒光纤放大器(EDFA)进行能量补偿。这样，由E D F A积累放大的自发辐射(ASE)噪声就成为系统的主要噪声源。ASE噪声会引起孤子的中心频率抖动，并且由于光纤色散，中心频率抖动会转化为接收端孤子到达时间的抖动，这就是著名的Gorden-Haus效应。这种效应限制了系统的极限通信距离，减小了输入功率的允许变化范围。

戈登-豪斯经过研究和分析，提出了总定时误差极限:

BL≈3倍

其中b为比特率，l为传输距离。

方程(4)称为戈登-豪斯极限，它曾被认为是通信容量的极限，是码率与单通道光孤子通信距离的乘积。直到1991年先导式过滤器(也称控制式过滤器)技术的出现，才打破了这一限制。导频滤波器的工作原理是利用同步调制来控制孤子载波频率，并对被放大的ASE噪声破坏的孤子脉冲位置进行重定时，从而消除戈登-豪斯效应带来的影响。理论上，利用导频滤波器控制ASE噪声的技术有望实现无限长距离传输。在实践中，利用该技术实现了106km的孤子传输。

发展

1973年，贝尔实验室的Hasegawa从理论上预言了孤子可以在光纤中传输，但当时没有合适的光纤和相应的孤子源，使得这一理论长期得不到验证。直到1980年，贝尔实验室的Mol-lenauer等人才首次在实验室中观察到孤子。然而，半导体激光器和掺铒光纤放大器在光孤子通信实验系统中的成功应用，促进了光孤子通信系统的实际应用。1992年，日本电报电话公司报道了10Gbit速率传输12000km，20Gbit速率传输12000km的直接光孤子通信实验系统。在贝尔实验室，利用光纤环实现了传输容量为5Gbit/s、15000km的单通道孤子系统和传输容量为11000km、10Gbit/s的双通道波分复用孤子通信系统。

光孤子通信克服了光纤色散的限制，大大提高了传输容量，充分利用了光纤通信的潜力。特别是当速率超过10Gbit/S时，光孤子传输系统将显示出明显的优势。光孤子通信作为新一代光纤通信，很有可能应用于越洋通信、洲际陆地通信等超长距离、超大容量系统。