光孤子传输基础及其系统关键技术

2019-11-03 18:22:05

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供稿：网友

梅琼，张江鑫
浙江工业大学省光纤通信重点实验室

　　摘要：光孤子具有传输不变形的特性，是光纤通信系统中最理想的信息载体，因此简要阐述了光孤子的成形机制及其传输理论，并介绍了光孤子传输系统构成与其所涉及到的关键技术，最后探讨了光孤子传输系统的研究现状及发展前景。

　　关键词：光孤子；群速度色散；自相位调制；孤子光源；孤子放大

1 引言

　　光孤子是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲，最早是由一名英国海军工程师于1834年偶然人首次提出了利用光纤非线形在反常色散区进行光孤子传输的设想。1980年Bell试验室Mollenewor等人又首次在试验室中观察到了光孤子[2]。

　　光孤子理论的出现，对于现代通信技术的发展起到了里程碑的作用。因为现代通信技术的发展一直朝着两个方向努力，一是大容量传输，二是延长中继距离。光孤子传输不变形的特点决定了它在通信领域里应用的前景。普通的光纤通信必须每隔几十千米设一个中继站，经过对信号脉冲整形，放大、误码检查后再发射出去，而用光孤子通信则可不用中继站，只要对光纤损耗进行增益补偿，即可把光信号无畸变地传输到极远的地方。最新的实验表明，光孤子在10Gbit/s的码率下保持的距离超过了106km，而且传输的速率极高，预计可达100Gbit/s以上，因此光孤子通信无疑是实现超长距离、高速率通信的重要手段，被认为第五代光纤通信系统。

2 光孤子传输基础

2.1 光孤子形成的机理

　　光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散（GVD）和自相位调制（SPM）共同作用形成的。

　　光脉冲在光纤中传输时总是存在一定的频率范围，在线性近拟中，常将光脉冲表示成在一定范围内一系列简谐波的叠加。由于各谐波分量相速度不同，因而光脉冲包络的传输通常以群速vg=dω/dβ来表示（β为光波波数, ω为载波频率）。由该式可见，群速度是随着频率的变化而变化的，而光脉冲中不同频率的分量则会以不同的速度进行传播，导致脉冲的分散，这种现象称之为群速度色散（GVD）。研究的结果表明，λd=1310nm处为零色散波长，λ>λd称之为反常色散区域，λ<λd称之为正常色散区域。正常与反常色散区域光脉冲的传输特性是不同的[3]，在反常色散区域，光脉冲的高频分量（蓝移）较低频分量（红移）传输得快，而在正常色散区域，情况正好相反。由于传输情况不同，群速度色散效应不同，最终导致了光脉冲的展宽。

　　自相位调制效应是光波在光纤中传输时光波本身引起的相移。其起源于光纤的折射率n与电场强度I之间的非线性效应—克尔（kerr）效应，即：n=n0+n2I。上式中，n=1.45是线性折射率，n2=6.1×1023V/m为非线性折射率系数。由上式可知，不同强度的脉冲分量相速度是不同的，这样，在光脉冲传输的过程中将会产生不同的相移，结果会造成脉冲谱的变化。例如，通过对于高斯脉冲的分析表明，自相位调制会导致脉冲前沿谱红移，后沿谱蓝移，对其它形状脉冲的分析也有类似的结果。另外，相对在群速度色散（GVD）的反常色散区，脉冲的高频（蓝移）分量运动速度要高于低频（红移）分量，而自相位调制（SPM）效应所导致的脉冲前沿谱红移又使脉冲前沿运动速度减慢和脉冲后沿由于谱蓝移而加快运动速度，进而使得脉冲变窄，正好与群速度色散在反常色散区的脉冲展宽的趋势相对应。因此，当这两种作用在数量上达到平衡时，光脉冲就会保持不变而成为光孤粒子，即光孤子。所以说，光孤子的形成机理是光纤中群速度色散和自相位调制效应在反常色散区的精确平衡。

2.2 光孤子传输原理

　　光孤子的数学描述是根据Maxwell方程组，求得光信号在非线性色散介质（光纤）中的归一化传输方程的非线性薛定谔（NLS）描述的，归一化传输方程为：

　　其中U，ξ，T分别代表光场包络幅值，传输距离及时间的无量纲归一化参量，而β2是光纤二阶色散参量，通常用来表示群速度色散（GVD），N定义为

（γ为非线形系数，P0为入射光峰值功率，LD为色散长度），Γ则称为归一化损耗，定义为

（α为光纤损耗系数）。方程左端第一项表示光强包络以群速运动；第二项表示色散影响，其中sgn（β2）称为符号函数，即根据β2是正值（正常群速色散区）或否值（反常群速色散区）取值为+1或-1。而只有在反常群速色散区，才可以发现该方程的解有像脉冲一样的孤子现象，称为“明孤子”。在正常群速色散区，方程解仅表现为在均匀背景下出现的一个局部下陷的轮廊，正好与上述明孤子的轮廊相类似，所以称这种现象为“暗孤子”。目前的研究仅限于明孤子，即sgn(β2)取值为-1的情况。第三项表示非线形效应，方程右端表示光纤损耗特性。

　　在理想无损耗的光纤中，用著名的逆散射法（Inverse Scattering Method）[2-4]求解，结果表明，仅当参数N为整数时，孤子的解才存在。具体来说，当初始光脉冲满足双曲正割形式：

　　这就是著名的基阶光孤子双曲正割表达式，显然其强度

和形状将保持不变，如图1所示。

　　正是基阶孤子这种长距离传播不变形的优异特性，使其成为光通信的理想传输技术；而对于N>1，孤子解的形式将变得相当冗长，出现二阶、三阶等高阶孤子，在传输过程中强度和脉宽也不会像基阶孤子那样稳定不变，而是作周期性变化，即先变窄，而后分裂为个几窄脉冲，最后在ξ=π/2处恢复原形，如图图2所示。

　　图2为三阶孤子在一个周期内的包络变化，其中Z=ξLD表示为非归一化长度。因此，到目前为止，在光孤子通信中，只使用基阶孤子作为信息载波。

　　当考虑光纤损耗时，若损耗足够小，可用微扰法（Perturtation theory）[3-4]求得孤子的解为：

　　表明在实际有损耗光纤中孤子传输时，脉冲幅值依exp(-2Tξ)衰减。根据光孤子绝热特性[3-4]：即基阶孤子面积等于其振幅与脉宽的乘积且恒为常数k，可见脉宽将依k exp(2Tξ)而增宽，但仍保持面积不变。孤子的这个特性启示人们，仅仅简单周期性地给孤子脉冲补充损耗掉的能量，就能使孤子脉冲恢复其原形状，并稳定不变形地传输到无穷远处，而不需像线形系统那样，在每个中继站使光脉冲再生和放大。这正是孤子作为通信的信息携带者的绝妙之处，能够具有较高的传输码率和超远的通信距离。

3 光孤子传输系统及其关键技术

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3所示。

　　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。

3．2 系统的关键技术

3．2．1 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。

3．2．2 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4所示。

　　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。

3．2．3 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。

Gorden-Haus经过研究分析[7]，提出了总的定时误差限制：

BL≈3×104（km·Gbit/s） (6)

　　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。导频滤波器的工作原理是：用同步调制，对孤子载波频率进行控制，使被放大了的ASE噪声所破坏的孤子脉冲位置重新定时，进而消除了Gorden-Haus效应造成的影响。当然，从理论上讲，使用导频滤波器控制ASE噪声的技术可在无限大的距离上进行孤子传输，但在实际上，该技术仅实现了106km的孤子传输。

4 光孤子传输系统实验研究现状及展望

　　光孤子通信是实现超长距离高速通信的重要手段，被认为是第五代光纤通信系统。近年来美、日、英等国相继进行了光孤子通信传输的实验，例如美国的贝尔实验室先后进行了传输距离为4000km、6000km和15000km的光孤子传输的实验，证明了光孤子跨洋通信的可能性，该实验室还完成了32Gbit/s传输90km无误码的光孤子数据传输实验。再如日本的NTT公司也在完成5Gbit/s传输400km和10Gbit/s传输300km实验的基础上，完成了20Gbit/s传输200km和10Gbit/s传输1000km直通传输的实验。1996年，日本KDD公司与美国AT& T公司合作建设的新越洋海底光缆，即TPC-6工程，就采用了光孤子技术，其传输能力达到了100Gbit/s，距离在10000km以上。目前光孤子传输实验可实现的最高码率和最大传输距离分别为160Gbit/s和106km。

　　所有这些都充分说明了光孤子通信的可行性及其巨大的应用前景。另外，如果采用波分复用、偏振复用和正交偏振等技术，光孤子传输系统的有效码率还可以提高数倍，甚至能达到Tbit/s数量级。未来光孤子传输系统研发的趋势很可能包括三个方面：（1）重视组合功能部件的研制，即将光孤子通信系统中的半导体激光器、光纤、放大器、耦合器等集成在几个大的功能块中，使其更趋于实用化；（2）随着光纤孤子激光器、光纤放大器（尤其是掺饵光纤放大器）技术的日趋成熟，光孤子传输系统很可能向着全光纤孤子传输的方向发展；（3）目前光孤子传输研究中的光孤子仅限一负色散区的亮孤子，由于光纤正色散区比负色散区范围大，所以研究在正色散区传输的暗孤子是一个很有价值课题。因为暗孤子传输的距离比亮孤子长约1倍，而且脉冲展宽较慢，受光纤损耗的影响比亮孤子也较小[6]，所以暗孤子光纤通信很可能成为未来光孤子传输的主导方向。

　　总之，尽管利用光孤子进行通信传输要真正实用化尚须解决一系列具体问题，但相信在不久的将来这项技术一定会被推广和应用。

参考文献

[1] N.J.Zabusky and M.D.Kruskal. Phy.Rev.Lett.15,240.1965.

[2] L.F.Mollenauve,R.H.Stolen,and J.P.Gorden.Phys.Rev.Lett.45,1095.1980.

[3] G.F.Agrawal.Nonlinear Filber Optics.Academica PRess Inc.1989,Chap 4.

[4] 杨祥林，温敬扬.光纤孤子通信理论基础[M].北京：国防工业出版社，2000.

[5] 杨祥林.光纤通信系统[M].北京：国防工业出版社，1999.

[6] 黄虎清.光孤子通信研究的20年历程及跨世纪展望[J].南京邮电学院学报，1996（3）：16-1.

[7] Nakazawa.IEEE Communication Magzine,1994,32(3),34.

摘自　天津通信技术

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