1、*大学*学院光纤通信新技术光孤子通信技术班级：姓名：学号：2光纤通信新技术之光孤子通信技术光纤通信这门课程中“光纤通信新技术”这一章是由同学带头，大家共同讨论学习的，在此，我通过上课学习、与同学交流以及查阅书籍谈谈自己对“光纤通信新技术”中“光孤子通信”的了解和认识。何为光孤子通信：光孤子是经光纤长距离传输后，其宽度保持不变的超短光脉冲（ps 数量级）。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。而在光纤通信技术领域中，限制传输距离及传输容量的主要因素是“损耗”和“色散”。“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
2、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。现在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。利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统，从而做到全光通信，无需光、电转换，便可在越长距离、超大容量传输中大显身手，是光通信技术上的一场革命。光孤子的形成及其原理：在之前课程的学习中，我们了解到，光纤传输时，假设光纤折射率 n 和入射光强（
3、光功率）无关，始终保持不变。这种假设在低功率条件下是正确的，获得了与实验良好一直的结果。然而，在高功率条件下，折射率 n 随光强而变化，这种特性称为非线性效应。在强光的作用下，光纤折射率 n 可以表示为：n=n0+2|2式中，E 为电厂强度，n0 为 E=0 时的光纤折射率，约为 1.45。这种光纤折射率 n 随光强度 而变化的特性称为克尔（Kerr）效应，n2= ,称为克尔系数。|2 1022（ /） 2设波长为，光强为E2的光脉冲在长度为L的光纤中传输，则光强感应的折射率变化为nt= n2Et2,由此引起的相位变化为：t=cntL=2Ln(t)3这种使脉冲不同部位产生不同相移的特性称为自相
4、位调制（SPAM）。如果考虑光纤损耗，式中的L要用有效长 ,代替。 机制引起的脉冲 载 波 频 率随 时间 的 变 化便可以写成：t=tt=2Ltnt不考虑非线性效应的无损耗介质中，光信号传播方程为：（ ）2(,)(,)0AzTjAzt1Ttz上式中， ，其物理意义式光载波的群速度的倒数，也就是群时011gdv延； ，群时延对频率的倒数，称为群速度色散（GVD），物理含义是指2g单位频率的两个光波在光纤中传播单位距离时产生的传播时间差。 20,gv则 称 为 反 常 色 散 。将光信号的包络函数 A（z，T）用脉冲峰值功率 P0 归一化：0(,)(,)AzTPUz写成频域中表示： (,)(,)
5、exp()UzzjTd代入光信号传播方程中： 2(,)(,)zjUz求解方程得： 2(,)(0,)exp()Uzjz由于 GVD 的存在，信号中不同的频率分量在传播同样的距离后产生不同的相移，从而导致信号的畸变。假设输入光脉冲为无啁啾的高斯脉冲： 20(0,)exp()TU式中，T0脉冲半宽，即脉冲功率降为 1/e 的点。20,gv则 称 为 正 常 色 散 ；4进行时频域的转换并代入解中： 2 21/41(,)exp(,)exp()DzTUzTjzL其中， ， 。21/10()DTzL20由上式可得这样的结论：光脉冲在存在 GVD 的介质中传播距离 z 后，尽管仍为高斯脉冲，但其脉冲宽度变为
6、 T1 了，即脉冲宽度会逐渐展宽。可以用下图表示：脉冲展宽的物理解释是：对正常色散介质，电磁波的高频成分速度慢，而低频成分速度快、脉冲后沿频率高于前沿，因而前沿传播比后沿快，当然脉冲随传播距离的增加宽度也就随之增加；反之，对反常色散介质脉冲后沿频率低于前沿，同样是前沿传播快于后沿，脉冲同样被展宽。光孤子技术发展前景:全光式光孤子通信，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。光孤子通信和线性光纤通信比较有一系列显著的优点：一、传输容量比最好的线性通信系统大 1 个2 个数量级；二、可以进行全光中继。由于孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化为
7、一个绝热放大过程，大大简化了中继设备，高效、简便、经济。光孤子通信和线性光纤通信比，无论在技术上还是在经济都具有明显的优势，光孤子通信在高保真度、长距离传输方面，优于光强度调制/直接检测方式和相干光通信。5正因为光孤子通信技术的这些优点和潜在发展前景，国际国内这几年都在大力研究开发这一技术。迄今为止的研究已为实现超高速、超长距离无中继光孤子通信系统奠定了理论的、技术的和物质的基础：1.孤子脉冲的不变性决定了无需中继；2.光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用提供了方便；3.导频滤波器有效地减小了超长距离内噪声引起的孤子时间抖动；4.光纤放大器，特别是用激光二极管泵浦的掺铒光纤放大器补偿了损耗；
8、5.采用预加重技术，且用色散位移光纤传输，掺铒光纤集总信号放大，这样便在低增益的情况下减弱了 ASE 的影响，扩大了中继距离；6.本征值通信的新概念使孤子通信从只利用基本孤子拓宽到利用高阶孤子，从而可增加每个脉冲所载的信息量。光孤子通信的这一系列进展使目前的孤子通信系统实验已达到传输速率1020Gbit/s，传输距离 1300020000 公里的水平。光孤子技术未来的前景是：在传输速度方面采用超长距离的高速通信，时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率 1020Gbit/s 提高到100Gbit/s 以上；在增大传输距离方面采用重定时，整形，再生技术和减少 ASE，光学滤波使传输距离提高到 100000 公里以上；在高性能 EDFA 方面是获得低噪声高输出EDFA。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。
