基于光孤子系統(tǒng)的傳輸與控制技術(shù)

摘要：介紹了光孤子傳輸用的基本部件，分析了光纖孤子通信傳輸和控制技術(shù)的研究進(jìn)展，指出了現(xiàn)階段有待解決問題，最后展望了光孤子通信發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：孤子理論；光孤子；光纖通信

　　0　概述

　　光通信傳 輸速度及傳輸容量主要由光纖的群速色散引起的脈沖展寬決定。但利用群速色散為零的波長進(jìn)行超高速、長距離通信的限制和弊端已日益明顯地展露出來。而光孤子 技術(shù)便是解決這一問題的手段之一。光孤子通信技術(shù)一經(jīng)提出，便顯示出突出的優(yōu)越性和巨大的發(fā)展?jié)摿?，并引起人們的廣泛關(guān)注。雖然這一領(lǐng)域目前仍處于理論研 究和實(shí)驗(yàn)的階段。但可以預(yù)計(jì)其很有可能將成為未來超長距離信息傳輸?shù)闹饕侄巍?/p>

　　1　光孤子通信系統(tǒng)

　　長距離光孤子通信系統(tǒng)由四個(gè)基本單元組成：光孤子源、孤子傳輸光纖、孤子能量補(bǔ)償放大器與孤子脈沖檢測接收單元。

　　1.1　光孤子源

　　光孤子源是光功率滿足一定要求的，可提供波形穩(wěn)定無啁啾變換限制的雙曲正割波形或高斯波形光脈沖序列的光源，是實(shí)現(xiàn)光孤子通信的關(guān)鍵部件。光孤子的產(chǎn)生方法有多種，如早期的色心激光器、 調(diào)制不穩(wěn)定激光器、光纖Raman（拉曼）孤子激光器與受激參量孤子激光器及多級壓縮孤子激光器等。1980年，Bellcore的Mollenauer 使用1.55μm的銷模色心激光器和低損耗光纖，首次在實(shí)驗(yàn)室觀測到光孤子。1989年，又利用單模光纖的受激拉曼分布放大進(jìn)行能量補(bǔ)償，采用光纖循環(huán)結(jié) 構(gòu)模擬長距離傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)55ps的孤子在42km的光纖環(huán)中穩(wěn)定傳輸6000km?，F(xiàn)在比較流行的光孤子源有鎖模外腔半導(dǎo)體激 光器（ML-EC-LD）、增益開關(guān)分布反饋半導(dǎo)體激光器（GS-DFB-LD）等。ML-EC-LD產(chǎn)生的脈沖波形較好且頻率啁啾成分較低，但結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，穩(wěn)定性差，集成ML-EC-LD是一種較好的孤子源產(chǎn)生方案；GS-DFB-LD結(jié)合去啁啾技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，但仍有一定的殘余頻率啁啾，只要光脈沖的 頻率啁啾足夠小，脈沖便可在光纖中演化為光孤子，因而它是目前光孤子傳輸系統(tǒng)中重要的光源；ML-ER-FRL是一種新穎的超短光脈沖源，它能直接產(chǎn)生孤 子，無啁啾，可自啟動并易于與光纖連接，結(jié)構(gòu)較簡單，也是目前使用較多的光源。

　　1.2　光孤子傳輸用光放大器

　　理想的孤子通信系統(tǒng)要求傳輸標(biāo)準(zhǔn)的雙曲正割波形的超短激光脈沖，在傳輸過程中具有保形及穩(wěn)定傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。光中繼放大器僅起放大幅度的作用，這種脈沖作用 為信息載體，能實(shí)現(xiàn)高速大容量通信。但在實(shí)際的孤子通信系統(tǒng)中，往往存在高階色散與非線性損耗及系統(tǒng)部件參數(shù)的隨機(jī)變化等；而輸入波形則可能偏離雙曲正割 波形，含有頻率啁啾或光源噪聲；光中繼放大器除了放大孤子脈沖外，還引入自發(fā)輻射噪聲。光孤子的穩(wěn)定傳輸要求脈沖無能量衰減，但這些光源、光中繼放大器及 傳輸線的非理想狀態(tài)將給孤子傳輸帶來不利，使孤子能量損失、脈寬展寬、傳輸容量減小，因而必須為孤子補(bǔ)充能量。

　　光放大器在光孤子通信系統(tǒng)中用于補(bǔ)償孤子傳輸過程中的能量損耗，是實(shí)現(xiàn)高速長距離通信的另一關(guān)鍵部件，主要有四種光放大器可實(shí)現(xiàn)光孤子放大，它們是半導(dǎo)體光放大器（SOA）、摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布式摻鉺光纖放大器（D-EDFA）和拉曼光纖放大器。

　　SOA的特點(diǎn)是尺寸小、頻帶寬、增益高，易和其他光電子器件混合集成，可工作于整個(gè)光纖的低損耗窗口，但與光纖耦合損耗太大，噪聲也大，且增益對光纖的極化和環(huán)境溫度很敏感，穩(wěn)定性差。

　　EDFA具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、泵浦功率低、可用半導(dǎo)體激光器作為泵源、偏振不敏感等特點(diǎn)，特別適用于高速長距離通信應(yīng)用。Nakazawa等人在1989年首先用EDFA成功地實(shí)現(xiàn)了20GHz的孤子穩(wěn)定傳輸。

　　D-EDFA采用摻Er3+濃度低、增益系數(shù)低、截止波長長、數(shù)值孔徑大、負(fù)色散區(qū)寬的三角形折射率分布的摻鉺光纖，并采用1480nm雙向泵浦技術(shù)，以減少損耗，降低沿線能量起伏，可達(dá)到約100km的放大或泵站間距。

　　早期Hasegawa等人建議利用傳輸光纖的受激Raman放大補(bǔ)償光纖損耗，不久Mollenauer等人用此方案實(shí)現(xiàn)了4000km孤子穩(wěn)定傳輸。 拉曼放大器為發(fā)布式補(bǔ)償放大、波動小、穩(wěn)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，很難用于實(shí)際通信系統(tǒng)，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，此類放 大器也會用于實(shí)際信息傳輸系統(tǒng)中，并將會大大改善光孤子通信的性能。

　　2　光孤子傳輸技術(shù)剖析

　　光孤子傳輸系統(tǒng)的距離碼速乘積的上限受到多個(gè)參數(shù)的影響，包括光脈沖占空比、光纖的有效截面、光纖非線性系數(shù)、光纖損耗、光纖色散、放大器自發(fā)輻射因子、放 大器間距等等。為實(shí)現(xiàn)光孤子的長距離傳輸，必須合理選擇光纖色散、放大器間距、放大器增益，傳輸距離、孤子脈寬、孤子入纖峰值功率、接收機(jī)判決門限等參 數(shù)，處理ASE（放大自發(fā)輻射）噪聲與Gordon-Haus限制、孤子相互作用、系統(tǒng)參數(shù)失配、非均勻擾動及由此產(chǎn)生的色散波與不穩(wěn)定性。

　　早期的孤子傳輸實(shí)驗(yàn)將普通單模光纖作為傳輸媒質(zhì)，存在色散大、孤子閾值功率高等問題。為解決這些問題，采用色散位移光纖（DSF），并形成一種DSF和EDFA周期性級聯(lián)的孤子傳輸系統(tǒng)組成方案，這一傳輸方案一直沿用至今，成為光孤子傳輸系統(tǒng)的基本組成方案。