孤子传输技术的发展

2019-11-03 18:19:08

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供稿：网友

刘俭辉

天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室

辽宁财政高等专科学校计算中心

　　摘要：综述了孤子中的自相位调制效应(SPM)对光纤中固有的群速度色散(GVD)的补偿作用，介绍了损耗、初始脉冲啁啾、孤子互作用及定时抖动等限制孤子在通信中应用的因素，并详细介绍了色散补偿和色散管理孤子(DMS)的应用及应用研究的最新进展。

　　关键词：孤子，色散，色散补偿，色散管理孤子(DMS)

　　孤子传输技术虽然在理论和技术上都已得到了确认，但在工程上却存在着争议。早期的孤子传输技术一般都要借助于拉曼发大技术实现损耗补偿，在当时的条件下存在着技术和成本上的问题而无法实用。到了90年代随着EDFA的商用，以WDM为基础的线性通信系统由于具有放大器间距长，系统技术难度小，成本低的优势而得到了快速发展。相比较而言，EDFA给孤子带来的挑战更甚于机遇，因为对于孤子来说，EDFA这样的集总放大器在系统中的间距一般被限制在25～50km，在相同的跨度上要比线性传输方案多用2倍以上放大器。再加上孤子通信技术方面的困难，孤子技术总的来说仍然处于实验室阶段。

1 孤子对色散的补偿作用

　　对目前的强度调制－直接检测(IM/DD)光通信系统来说，我们总是希望信号波形在传输过程中尽量不发生畸变。然而在线性传输方案中，一方面无论是归零(RZ)还是非归零(NRZ)码，只要波长不处于零散点附近，光纤中固有的群速度色散GVD效应都会使脉冲在传输过程中不断地展宽，并最终导致相邻脉冲交叠，进而引起误码，所以传输码率受到色散的限制。

　　如果我们把光纤零色散波长移到工作波长附近，虽然可以大大减小色散的影响，但却限制了通信带宽。更严重的是这种光纤将无法利用波分复用(WDM)技术，因为在这种光纤中将由材料色散、波导色散和非线性效应三者共同建立起四波混频(FWM)所需的相位匹配条件，从而导致相邻信道的串扰[1]。再者，高速率通信的脉冲宽度比低速率情况要窄的多，这使得相同平均功率水平条件下每比特信号所包含的能量或光子数大大减小。为了满足接收装置灵敏度的要求，必须提高输入功率。而功率的提高又增强了非线性效应，这对线性传输系统来说是有害的，所以系统的功率也受到了双重限制。

　　而对于孤子来说，自相位调制效应(SPM)不再作为负面效应考虑，而是用于抵消GVD效应的不可或缺的要素。在这种情况下，通信码率不受GVD的限制，功率也可以适当提高，从而有利于超长距离的高速传输应用。因此早在1973年，贝尔实验室的Hasegawa就已经提出了利用孤子进行光通信的设想[2]。这种想法后来在1980年被Mollenauer的实验所证实[3]，从此孤子通信引起了人们的普遍注意，并一度被认为是实现高速通信的最佳手段。

2 通信中使用孤子传输需要解决的问题

　　尽管利用孤子的SPM可以很好地实现对GVD的补偿，但孤子通信并没有迅速得到应用。这其中虽然有WDM技术的原因，但主要还是因为孤子技术本身仍有一些难题需要克服。要实现孤子通信，首先必须考虑以下几个问题：(1)损耗的影响；(2)输入脉冲初始啁啾的影响；(3)孤子互作用的影响；(4)定时抖动的影响。

2.1 损耗的影响

　　损耗的存在使孤子功率不断减小，打破了SPM和GVD效应的平衡，就不得不通过放大器提升功率来尽量维持孤子条件。虽然理论和实验都证明利用喇曼分布放大方案可以在光纤内提供均匀增益[4],[5]，使孤子满足绝热传输条件，但是喇曼技术还不够成熟，尚无法独立提供系统的均匀分布增益。另一方面，孤子放大虽然也可以利用EDFA实现[6]，但平均孤子条件要求放大器间距远小于色散长度，所以无法利用现有的间距约80km的EDFA级联放大系统实现高速孤子传输。

2.2 输入脉冲初始啁啾的影响

　　由于实际光源的限制，输入脉冲往往是有初始啁啾的，这会打乱孤子所需的SPM和GVD效应之间的平衡。这种啁啾脉冲在光纤传输过程中会引发色散波损耗，削弱孤子的能量，降低信噪比(SNR)。如果不加控制，在啁啾过大时甚至还会导致孤子的彻底破坏。

2.3 孤子互作用的影响

　　孤子互作用对码率会有限制作用。当相邻孤子间距较小时，将引发孤子周期性的吸引或排斥作用，这种互作用与孤子的振幅和相位都有关系，对于随机码来说这种作用将是随机的，所以会降低信噪比(SNR)，劣化定时抖动。

2.4 定时抖动的影响

　　定时抖动是最终限制传统孤子传输能力的因素，它有很多来源，其中放大器的放大自发辐射(ASE)所引起的G-H(Gordon-Haus)抖动[7]最为重要。为了克服这种抖动，必须采用相应的时域或频域控制技术[8]-[10]，而这些技术将使得孤子系统变得更为复杂。

3 孤子研究的最新进展

　　随着各种色散控制技术的应用，尤其是色散补偿和色散管理技术的提出，使孤子的理论和实验研究都进入了一个崭新的阶段。

3.1 色散补偿技术的利用

　　利用色散补偿技术可对光孤子通信系统的ASE噪音、孤子相互作用与色散波等进行控制，达到提高系统传输速率增大传输距离和通信容量的目的。目前提出的补偿方案有[11]：

　　(1) 终端正色散补偿，在光纤线路终端接一段短而色散量大的正色散光纤，以补偿ASE噪声引起的孤子到达时间抖动。研究表明，当色散补偿量达到系统色散总量的50%时，对孤子定时抖动的控制作用最佳，此方案结构简单、经济，并可用于波分复用，以提高通信容量。但是，由于接入的正色散量过大，会引起孤子展宽，限制控制作用发挥。

　　(2) 终端正色散补偿与在线滤波控制混合补偿，借助前级滤波器的预处理作用，降低终端正色散补偿光纤的补偿总量和由此产生的色散波以达到最佳的控制效果。

　　(3) 周期性集总式色散补偿，为降低高的集总式色散补偿产生的色散波，沿传输系统周期地接入短的色散参数较低的正色散光纤或其它色散补偿元件，将集总式补偿变成准分布的补偿，达到更好的补偿效果。

　　(4) 周期性分布式补偿，传输系统用长度接近的正负色散光纤交替连接而成，正色散光纤不仅起色散补偿作用，而且也是传输链路的主要组成部分，正负色散光纤色散参数和长度依一个孤子周期内平均色散为较低的负色散要求确定，以实现长放大器间距、低噪声孤子稳定传输。

3.2 色散管理孤子的研究

　　色散管理孤子(DMS)技术对孤子通信具有深远的意义。1996年英国Aston大学的N. J. Smith等人详细研究了由正、负色散光纤对交替连接的色散管理线中孤子脉冲的演化特性[12]。通过数值模拟他们发现，在这种色散管理模型中的稳态解不再是传统的sech解形，相反在某种特定条件下还存在着类高斯形式的解。同时他们还发现了DMS的能量增强因子，即在某一平均色散值条件下，DMS的功率或能量水平比传统孤子在相应色散条件下的要高。随后他们又进一步发现DMS的很多优异性能，从而揭开了DMS理论和实验研究的序幕。此后围绕DMS现象的解释和DMS与平均色散的关系，人们借助数值法、变分法和微扰法做了大量的研究[13]-[15]，逐渐形成DMS的基本理论。

　　实验方面，具有色散管理思想的孤子传输早在1992年就已有报导，但当时被称为部分孤子通信或色散分配技术[16],[17]。早期的色散管理形式一般是通过周期性地在传输光纤之后接入一段相对较短的色散补偿光纤(DCF)片段来实现，这也是线性系统中的常用色散补偿技术，实验证明这种色散搭配方案可以有效地减小定时抖动[18]。1996年以后发表的实验结果则更进一步地证明了DMS的优点。如NTT的直线传输实验[19]表明：利用色散管理技术，在误码率为10－9的条件下，单信道20Gbit/s的RZ码传输距离可达5520km，是不采用DM技术情况的两倍以上。在KDD的9000km环路实验[20]中，甚至在没有采用在线滤波器的情况下就实现了误码率为10－9的20Gbit/s孤子传输。另一方面，实验也研究了DMS在正常色散区( 或 )传输的特性，V. S. Grigoryan等人的环路实验证明在平均色散为0或略小于0( ps/nm-km)的条件下，可以实现DMS的28Mm稳定传输[21]，这说明DMS也可以利用WDM方案进行传输。

　　DMS的出现为孤子通信注入了新的生命力，它可以克服以往孤子传输中的定时抖动问题，同时降低了对光纤色散、脉冲形状等的严格要求。在实际应用中，根据具体情况DMS技术具有很大的灵活性，既可以用来升级现有的G.652光纤线路(SMF+DCF)，也可以用于提高未来的G.655光纤线路中的率长积。结合孤子通信固有的无电中继特性，DMS技术可望实现单信道40Gb/s×10Mm以上的通信能力，成为实现全光通信的一个重要方案，有望在下一代长途网中得到应用。

　　目前，日本和欧美国家已纷纷展开了相关的场地实验。其中，日本自1995年由NTT完成基于东京城域网的20Gb/s×2000km传统孤子传输后[22]，在1998年又发表了基于同一平台的40Gb/s×1000km色散管理孤子场地传输实验结果[23]；美国MCI/Pirelli在SONET平台上实现了4×OC-192×450km的DMS场地传输实验[24]；欧盟的ACTS计划也在已铺设的网络中进行了有关的通信实验[25]。在实用化方面，Marconi公司利用DMS及前向纠错(FEC)等技术成功开发出了超长途通信产品“UPLx160”，它可以提供高达160×10Gb/s×3000km的通信容量，并已被应用于澳大利亚Amcom公司的ip1(tm) 项目中。

　　总之，光孤子在通信方面的研究，尤其是DMS的研究将对今后的光通信发展产生重大的影响。在我国，由于技术条件的制约，光孤子在通信方面的研究工作中作了一小部分，其中包括天津大学先后完成的伪随机码孤子源和孤子传输技术的研究；北京邮电大学、清华大学、北方交通大学合作进行的OTDM光孤子通信技术的研究；北京邮电大学进行的2.5Gb/s×52km孤子系统的误码测试实验[26]等，对孤子技术尤其是系统传输的研究相对较少，而且大多限制在理论分析和数值模拟计算[27]-[29]上。因此，孤子在通信系统中的实验研究将是今后一个时期内我国研究光孤子的一个重点。

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摘自　光纤新闻网

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