基础电子中的基于光孤子系统的传输与控制技术
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2020-11-12
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基础电子中的基于光孤子系统的传输与控制技术基础电子中的基于光孤子系统的传输与控制技术
摘要：介绍了光孤子传输用的基本部件，分析了光纤孤子通信传输和控制技术的研究进展，指出了现阶段有待
解决问题，最后展望了光孤子通信发展前景。 关键词：孤子理论；光孤子；光纤通信 0 概述 光
通信传 输速度及传输容量主要由光纤的群速色散引起的脉冲展宽决定。但利用群速色散为零的波长进行超高
速、长距离通信的限制和弊端已日益明显地展露出来。而光孤子 技术便是解决这一问题的手段之一。光孤子通
信技术一经提出，便显示出突出的优越性和巨大的发展潜力，并引起人们的广泛关注。虽然这一领域目前仍处
于理论研 究和实验的阶段。但可以预计其很有可能将成为未来超长距离信息传输的主要手段。 1 光孤子
通信
摘要：介绍了光孤子传输用的基本部件，分析了光纤孤子通信传输和控制技术的研究进展，指出了现阶段有待解决问题，
最后展望了光孤子通信发展前景。
关键词：孤子理论；光孤子；光纤通信
0 概述
光通信传 输速度及传输容量主要由光纤的群速色散引起的脉冲展宽决定。但利用群速色散为零的波长进行超高速、长距
离通信的限制和弊端已日益明显地展露出来。而光孤子 技术便是解决这一问题的手段之一。光孤子通信技术一经提出，便显
示出突出的优越性和巨大的发展潜力，并引起人们的广泛关注。虽然这一领域目前仍处于理论研 究和实验的阶段。但可以预
计其很有可能将成为未来超长距离信息传输的主要手段。
1 光孤子通信系统
长距离光孤子通信系统由四个基本单元组成：光孤子源、孤子传输光纤、孤子能量补偿放大器与孤子脉冲检测接收单元。
1.1 光孤子源
光孤子源是光功率满足一定要求的，可提供波形稳定无啁啾变换限制的双曲正割波形或高斯波形光脉冲序列的光源，是实
现光孤子通信的关键部件。光孤子的产生方法有多种，如早期的色心激光器、 调制不稳定激光器、光纤Raman（拉曼）孤子
激光器与受激参量孤子激光器及多级压缩孤子激光器等。1980年，Bellcore的Mollenauer 使用1.55μm的销模色心激光器和低
损耗光纤，首次在实验室观测到光孤子。1989年，又利用单模光纤的受激拉曼分布放大进行能量补偿，采用光纤循环结 构模
拟长距离传输系统，实现55ps的孤子在42km的光纤环中稳定传输6000km。现在比较流行的光孤子源有锁模外腔半导体激 光
器（ML-EC-LD）、增益开关分布反馈半导体激光器（GS-DFB-LD）等。ML-EC-LD产生的脉冲波形较好且频率啁啾成分较
低，但结构复 杂，稳定性差，集成ML-EC-LD是一种较好的孤子源产生方案；GS-DFB-LD结合去啁啾技术，结构简单，但仍
有一定的残余频率啁啾，只要光脉冲的 频率啁啾足够小，脉冲便可在光纤中演化为光孤子，因而它是目前光孤子传输系统中
重要的光源；ML-ER-FRL是一种新颖的超短光脉冲源，它能直接产生孤 子，无啁啾，可自启动并易于与光纤连接，结构较简
单，也是目前使用较多的光源。
1.2 光孤子传输用光放大器
理想的孤子通信系统要求传输标准的双曲正割波形的超短激光脉冲，在传输过程中具有保形及稳定传输的特点。光中继放
大器仅起放大幅度的作用，这种脉冲作用 为信息载体，能实现高速大容量通信。但在实际的孤子通信系统中，往往存在高阶
色散与非线性损耗及系统部件参数的随机变化等；而输入波形则可能偏离双曲正割 波形，含有频率啁啾或光源噪声；光中继
放大器除了放大孤子脉冲外，还引入自发辐射噪声。光孤子的稳定传输要求脉冲无能量衰减，但这些光源、光中继放大器及
传输线的非理想状态将给孤子传输带来不利，使孤子能量损失、脉宽展宽、传输容量减小，因而必须为孤子补充能量。
光放大器在光孤子通信系统中用于补偿孤子传输过程中的能量损耗，是实现高速长距离通信的另一关键部件，主要有四种
光放大器可实现光孤子放大，它们是半导体光放大器（SOA）、掺铒光纤放大器（EDFA）、分布式掺铒光纤放大器（D-
EDFA）和拉曼光纤放大器。
SOA的特点是尺寸小、频带宽、增益高，易和其他光电子器件混合集成，可工作于整个光纤的低损耗窗口，但与光纤耦
合损耗太大，噪声也大，且增益对光纤的极化和环境温度很敏感，稳定性差。
EDFA具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、泵浦功率低、可用半导体激光器作为泵源、偏振不敏感等特点，特别
适用于高速长距离通信应用。Nakazawa等人在1989年首先用EDFA成功地实现了20GHz的孤子稳定传输。
D-EDFA采用掺Er3+浓度低、增益系数低、截止波长长、数值孔径大、负色散区宽的三角形折射率分布的掺铒光纤，并采
用1480nm双向泵浦技术，以减少损耗，降低沿线能量起伏，可达到约100km的放大或泵站间距。
早期Hasegawa等人建议利用传输光纤的受激Raman放大补偿光纤损耗，不久Mollenauer等人用此方案实现了4000km孤
子稳定传输。 拉曼放大器为发布式补偿放大、波动小、稳定性好，但拉曼放大的泵浦效率低，所以要求泵浦功率高。目前，
很难用于实际通信系统，但是随着技术的发展，此类放 大器也会用于实际信息传输系统中，并将会大大改善光孤子通信的性
能。
2 光孤子传输技术剖析
光孤子传输系统的距离码速乘积的上限受到多个参数的影响，包括光脉冲占空比、光纤的有效截面、光纤非线性系数、光
纤损耗、光纤色散、放大器自发辐射因子、放 大器间距等等。为实现光孤子的长距离传输，必须合理选择光纤色散、放大器
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