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1、*高校*学院光纤通信新技术光孤子通信技术班级: 姓名: 学号: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，大家共同争 论学习的，在此，我通过上课学习、与同学沟通以及查阅书籍谈谈自己对“光纤通信 新技术”中“光孤子通信”的了解和熟悉。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。采用光孤子作为载体 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
2、光脉冲在传 输中渐渐展宽。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，同时动身的光脉冲，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进展，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。采用光孤子传输信息 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
3、折射率n和入射光强 （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，获得了与试验 良好始终的结果。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=nO+n2|E|2式中，E为电厂强度，nO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|E而变化的特性称为克尔（Kerr）效应，n2=l（p22 （m/V）,称为克尔系数。设波长为入，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Ant=n2Et2,由此引起的相位变化为：巾 t=3cAntL=2jrL 九An(t)这种使脉冲不同部
4、位产生不同相移的特性称为自相位调制（SPAM）。假如考虑光 纤损耗，式中的L要用有效长Leff代替。SPAM机制引起的脉冲载波频率随时间的变化， 便可以写成：Aa)t=-6A(|)tdt=-2 兀 L入羽tAnt不考虑非线性效应的无损耗介质中，光信号传播方程为:SA(z,T) ja2A(z,r)dz8T2(T = t - 0Z )上式中，仇=A 。,则Wn % J,称为正常色散;A 0,则3Tn 口 J称为反常色散。r ,其物理意义式光载波的群速度的倒数，也就是群时延；小=4 =幺，群时延对频率的倒数，称为群速度色散（GVD）,物理含义是指 dco dco单位频率的两个光波在光纤中传播单位距离
5、时产生的传播时间差。将光信号的包络函数A （z, T）用脉冲峰值功率P0归一化:A(z,T) = JU(z,T)写成频域中表示:coU(z,T)= j U(z初)exp(JT)d-a)代入光信号传播方程中:dU(z.co) ,/?2 2TX求解方程得:U (z, co) = U (0, cd) exp(-j a)2z)由于GVD的存在，信号中不同的频率重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喟啾的高斯脉冲:T2U(0,7) = exp(标)o式中，TO脉冲半宽，即脉冲功率降为1/e的点。进行时频域的转换并代入解中:z2T2U(z,T) = (1 + )-1
6、/4 exp(z, T) exp(-) Ld其中，7=l + (z2,4=2/| 阅。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T1 了，即脉冲宽度会渐渐展宽。可以用下图表示：TJTo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。光孤子技术进展前景：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
7、最有进展前途、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一个绝热放大过程， 大大简化了中继设施，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。正由于光孤子通信技术的这些优点和潜在进展前景，国际国内这几年都在大力争 论开发这一技术。迄今为止的争论已为实现超高速、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
8、冲的不变性打算了无需中继；2 .光孤子碰撞分别后的稳定性为设计波分复用供应了便利；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，特殊是用激光二极管泵浦的掺饵光纤放大器补偿了损耗；5 .采纳预加重技术，且用色散位移光纤传输，掺银光纤集总信号放大，这样便在 低增益的状况下减弱了 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采用基本孤子拓宽到采用高阶孤子，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试验已达到传输速率 1020Gbit/s,传输距离1300020000公里的水平。光孤子技术将来的前景是：在传输速度方面采纳超长距离的高速通信，时域和频 域的超短脉冲掌握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纳重定时，整形，再生技术和削减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 EDFAo当然实际的光孤子通信仍旧存在很多技术的难题，但目前已取得的突破性进展 使我们信任，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，有着光明的进展前景。