发布时间 : 星期一 文章光孤子的形成及光通信中应用更新完毕开始阅读
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要因素)，异频孤子之间的相互作用,在偏振复用系统中还分为正交极化孤子和平行极化孤子之间的相互作用,从物理机制上看这些相互作用都为非线性相互作用，如XPM，FWM。短程孤子相互作用距离只限于10倍孤子脉宽，这种相互作用在系统中特别是在DWDM和高速OTDM系统当中会引起孤子的暂时频移或永久频移,其作用力的大小受孤子间距、相对相位、相对幅度的影响,为了消除相互作用的影响，要求孤子间的间隔必须大于5-6倍的孤子脉宽,否则将导致波形畸变,传输特性恶化。长程相互作用是由于脉冲在传输时引起光纤中的横向梯度电场变化，导致声波的产生,影响孤子的中心频率,从而导致脉冲产生定时抖动。对于大于10Gb/s的孤子传输系统，长程作用较为明显。
Mollenauer采用绝热扰动方法研究了不同频率的孤子之间的相互作用,如果孤子的传输线上是无损耗、无放大的理想情况,孤子的中心频率在碰撞之后恢复到起始值，然而在有集总放大器(或周期色散扰动以及其它扰动)存在的况下，孤子之间的相互作用在放大器的前后(不同的能量区)是非对称的,由于其在每点并未保持色散和非线性的之间的平衡，从而导致孤子产生剩余的中心频移，引起孤子定时抖动。在长距离传输当中，这种剩余的中心频移会被平均掉，条件是孤子的碰撞长度大于2倍放大间距或色散管理周期，即对波分复用信道间隔的路径平均色散有一定的限制作用。然而,Mollenauer这种规律只适用于对XPM效应引起的相互作用的抑制，而忽略了FWM作用。
在WDM系统当中，FWM是限制该系统的主要因素之一。其本质来自于信道频率之间非线性相互作用，从而在信道的频谱上产生斯托克斯和反斯托克斯边带，作为噪声导致信号功率降低。在线性系统中通常通过减小脉冲功率或提高路径色散来减小频谱之间的区配，然而这种做法限制了系统的容量和降低了系统的性能，Inoue提出特殊的码型或采用在线器件来抑制FWM的影响，R.W.Tkach提出采用光纤色散管理和不等信道间隔来抑制,但在信道速率提高时还是会有很多问题。对于理想状态下，孤子脉冲之间的碰撞是弹性的，在碰撞过程中产生的FWM分量随后被重新吸收，只有孤子的位置或相位改变。然而在周期放大条件下，孤子之间的FWM效应即使在满足孤子碰撞距离大于2倍放大间距时也不能消除，且随着碰撞次数增加而增加,会引起孤子的能量抖动和位置的定时抖动，在有ASE噪声的情况下，这种抖动会更加剧烈。
(5)偏振模色散的影响。在设计和评价通信系统时，光纤的双折射引起脉冲的PMD是一个必须考虑的重要因素。研究表明,随机的双折射对孤子传输通常产生以下几种影响: ①首先由于光纤双折射轴的随机变化，使传输的孤子的偏振态发生随机的改变，从而使孤子间产生微分群时延的积累，导致到达时间上的抖动，但当PMD参数很小时，PMD几乎不对孤子产生影响。②其次在光放大系统当中，由于放大孤子的定时抖动。③由于
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PMD影响，孤子在传输过程中会有色散波的逸出，导致孤子的能量降低，同时色散波反过来对孤子作用,导致孤子的频移。然而，孤子脉冲对PMD有抑制作用，Wai推出在PMD影响下,场的极化分量满足Manakovo-PMD方程,其一阶稳定解为孤子解，高阶解则可看为色散波形式，从而从理论上证明了孤子具有对PMD很强抑制作用。此后,B.Bakhshi等采用现场试验证实了孤子这一特性。
2.3 光孤子传输系统及其关键技术
2.3.1 光孤子传输系统
将光孤子作为信息载波可实现光纤孤子通信，其传输系统如图2-4所示。
OASSmodOA1OA2STFSTFSTFTXTCSRXTSSTFOAn 图2-4 光孤子传输系统基本构成
该系统由五个基本功能单元组成：（1）光孤子发送终端（TX）；（2）光孤子接收终端（RX）；（3）光孤子传输光纤（STF）；（4）光孤子能量补偿放大器（OA～OAn）；（5）光孤子传输控制装置（TCS）。图中的SS为光孤子源，mod为光调制器，TS为实验设备。
系统中的TX由超短脉冲半导体或掺饵光纤激光器、光调制器、信息源和光纤功率放大器所构成，用于产生光孤子脉冲信号；RX由宽带光接收机或频谱分析仪、误码仪与条纹相机所构成，用于测试系统传输特性或通信能力；STF由普通单模光纤或色散位移光纤（DSF）构成；OA～Oan由掺饵光纤放大器（EDFA）或半导体光放大器所组成，亦可由传输光纤本身的受激喇曼放大（SRA）或在传输光纤中掺入衡土饵元素构成的分布式饵光纤放大（DEDFA）系统来组成；TCS由导频滤波器、强度或相位光调制器、非线性元件和色散补偿光纤等组成，设置在沿传输系统不同的区域，用于克服或降低由放大器所带来的自发射（ASE）噪声和相邻孤子相互作用等对孤子通信容量的限制，提高孤子传
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输特性的稳定性。其中孤子光源、孤子放大以及对ASE噪声控制技术的选择已成为光孤子传输系统中核心的技术问题。 2.3.2 系统的关键技术
（1）孤子光源
光孤子源是实现超高速光孤子通信的基础，应能直接产生具有双曲正割(sech)形式的基阶光孤子。为保持光孤子有效传播而不发生畸变，作为孤子光源的激光器必须具有足够的输出功率，且谱线宽度要尽量的窄。一般要求谱线宽度要在几MHz以下，波长是可调的，最好在1.55mm左右，此波长的光纤损耗最小。孤子激光器尽管种类很多，但应用于通信的激光器必须满足体积小、成本低和寿命长等要求。目前光孤子通信试验系统大多采用体积小、重复频率高的增益开关分布反射（DFB）半导体激光器或锁模半导体激光器作为孤子光源，所输出的脉冲均为高斯形，因而功率较小。但经光纤放大器放大后，仍可获得足够的功率，以至能形成光孤子传输的峰值功率。 （2）孤子放大
由于光孤损耗的存在，导致了孤子能量的不断减少，使得补偿色散展宽的非线性自相位调制效应减弱和光脉冲的展宽，严重地影响了光孤子的传输距离和容量，因而在光纤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一次放大，而这种放大技术即成了光孤子通信系统传输距离和容量的决定因素。
目前所应用的孤子放大技术有两种，一种是分布式光放大技术，最大的特点是可以对光信号直接进行放大，所使用的是受激喇曼散射（SRS）放大器或分布式掺饵光纤放大器（EDFA）。
SRS光放大器是利用传输本身的SRS效应来补偿孤子的能量，基本思想是当两个不同频率的光波在同一光纤中传输时，由于光纤的非线性作用，使高频泵浦光波的部分能量传递给低频光孤子光波，使光孤子信号的能量得到补偿。SRS放大的优点是：光纤本身就成为光放大介质，由于是分布式的放大，所以周期性扰动小，只要保证泵浦周期小于8倍的孤子周期，就可保持孤子的稳定传输。但SRS放大器也存在一定的缺点，即SRS放大器的泵浦效率很低，仅0.1dB/mv左右，为达到实用的增益，泵浦功率必须在数百毫瓦功率级，用半导体激光器很难实现，再者，SRS放大器还存在噪声。所以，这个方法距光孤子通信的实用化还有一定的距离。
而分布式EDFA是使用低浓度的掺饵光纤作为传输介质的，即利用掺饵光纤产生的受激放大增益来补偿光纤的损耗，放大器的装置如图2-5所示。
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泵浦光掺饵光纤传输光纤耦合器耦合器光信号传输光纤
图2-5 掺饵光纤放大器装置
在光纤传输线路中接入掺饵光纤后，泵浦功率通过光纤耦合器进入光纤，这时掺饵光纤受到泵浦作用而产生受激辐射，将工作频带的光信号放大。分布式EDFA的优点是增益效率高（可达2dB/mv～40.1dB/mv），所需的泵浦功率低，有几十毫瓦即可。同时可用半导体激光器来实现，通信的容量大，泵站的间隔长（比以下介绍的集总式的长2倍以上），且插入的损耗小、噪声低等等。其缺点是传输介质必须使用掺饵光纤，成本较高。 另一种是集总式光放大技术，所使用的是集总式掺饵光纤放大器（EDFA），就是在光纤线路中每隔一定距离（LD）接入一段集总式光纤放大器（目前通常采用的是EDFA）来补偿孤子的能量损失。这是目前光孤子通信应用的主体方案，比较经济实用。其缺点是孤子幅度与能量起伏较大，会产生色散波，因而稳定性不如分布式的好。 （3）ASE噪声控制
对于超长距离光孤子传输系统，往往使用上百个甚至几千个掺饵光纤放大器（EDFA）进行能量补偿，因而经过EDFA累加放大的自发发射（ASE）噪声就成为系统的主要噪声源。ASE噪声会引起孤子中心频率的抖动，再加上光纤色散，中心频率抖动将转化为孤子到达接收端时间的抖动，这就是著名的Gorden-Haus效应。此效应使系统的极限通信距离受到限制，并使输入功率的容许变化范围减小。 Gordon-Haus经过研究分析，提出了总的定时误差限制：
BL≈3×104(km?Gbit/s) (2-23) 式中：B为比特率，L为传输距离。该式被称为Gorden-Haus限制，即通信容量的限制，曾被看作是对单信道光孤子通信码率与距离的乘积。直到1991年导频滤波器（亦称控制滤波器）技术的出现，才使该极限被突破。导频滤波器的工作
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