【文章內(nèi)容簡介】 由放大器所帶來的自發(fā)射（ASE）噪聲和相鄰孤子相互作用等對孤子通信容量的限制，提高孤子傳輸特性的穩(wěn)定性。其中孤子光源、孤子放大以及對ASE噪聲控制技術的選擇已成為光孤子傳輸系統(tǒng)中核心的技術問題。 系統(tǒng)的關鍵技術（1）孤子光源光孤子源是實現(xiàn)超高速光孤子通信的基礎，應能直接產(chǎn)生具有雙曲正割(sech)形式的基階光孤子。為保持光孤子有效傳播而不發(fā)生畸變，作為孤子光源的激光器必須具有足夠的輸出功率，且譜線寬度要盡量的窄。一般要求譜線寬度要在幾MHz以下，波長是可調(diào)的，此波長的光纖損耗最小。孤子激光器盡管種類很多，但應用于通信的激光器必須滿足體積小、成本低和壽命長等要求。目前光孤子通信試驗系統(tǒng)大多采用體積小、重復頻率高的增益開關分布反射（DFB）半導體激光器或鎖模半導體激光器作為孤子光源，所輸出的脈沖均為高斯形，因而功率較小。但經(jīng)光纖放大器放大后，仍可獲得足夠的功率，以至能形成光孤子傳輸?shù)姆逯倒β?。?）孤子放大由于光孤?lián)p耗的存在，導致了孤子能量的不斷減少，使得補償色散展寬的非線性自相位調(diào)制效應減弱和光脈沖的展寬，嚴重地影響了光孤子的傳輸距離和容量，因而在光纖通信系統(tǒng)中需要在光纖線路上每隔一定距離對光孤子進行一次放大，而這種放大技術即成了光孤子通信系統(tǒng)傳輸距離和容量的決定因素。目前所應用的孤子放大技術有兩種，一種是分布式光放大技術，最大的特點是可以對光信號直接進行放大，所使用的是受激喇曼散射（SRS）放大器或分布式摻餌光纖放大器（EDFA）。SRS光放大器是利用傳輸本身的SRS效應來補償孤子的能量，基本思想是當兩個不同頻率的光波在同一光纖中傳輸時，由于光纖的非線性作用，使高頻泵浦光波的部分能量傳遞給低頻光孤子光波，使光孤子信號的能量得到補償。SRS放大的優(yōu)點是：光纖本身就成為光放大介質，由于是分布式的放大，所以周期性擾動小，只要保證泵浦周期小于8倍的孤子周期，就可保持孤子的穩(wěn)定傳輸。但SRS放大器也存在一定的缺點，即SRS放大器的泵浦效率很低，為達到實用的增益，泵浦功率必須在數(shù)百毫瓦功率級，用半導體激光器很難實現(xiàn)，再者，SRS放大器還存在噪聲。所以，這個方法距光孤子通信的實用化還有一定的距離。而分布式EDFA是使用低濃度的摻餌光纖作為傳輸介質的，即利用摻餌光纖產(chǎn)生的受激放大增益來補償光纖的損耗，放大器的裝置如圖25所示。圖25 摻餌光纖放大器裝置在光纖傳輸線路中接入摻餌光纖后，泵浦功率通過光纖耦合器進入光纖，這時摻餌光纖受到泵浦作用而產(chǎn)生受激輻射，將工作頻帶的光信號放大。分布式EDFA的優(yōu)點是增益效率高（可達2dB/mv～），所需的泵浦功率低，有幾十毫瓦即可。同時可用半導體激光器來實現(xiàn)，通信的容量大，泵站的間隔長（比以下介紹的集總式的長2倍以上），且插入的損耗小、噪聲低等等。其缺點是傳輸介質必須使用摻餌光纖，成本較高。另一種是集總式光放大技術，所使用的是集總式摻餌光纖放大器（EDFA），就是在光纖線路中每隔一定距離（LD）接入一段集總式光纖放大器（目前通常采用的是EDFA）來補償孤子的能量損失。這是目前光孤子通信應用的主體方案，比較經(jīng)濟實用。其缺點是孤子幅度與能量起伏較大，會產(chǎn)生色散波，因而穩(wěn)定性不如分布式的好。（3）ASE噪聲控制對于超長距離光孤子傳輸系統(tǒng)，往往使用上百個甚至幾千個摻餌光纖放大器（EDFA）進行能量補償，因而經(jīng)過EDFA累加放大的自發(fā)發(fā)射（ASE）噪聲就成為系統(tǒng)的主要噪聲源。ASE噪聲會引起孤子中心頻率的抖動，再加上光纖色散，中心頻率抖動將轉化為孤子到達接收端時間的抖動，這就是著名的GordenHaus效應。此效應使系統(tǒng)的極限通信距離受到限制，并使輸入功率的容許變化范圍減小?！　ordonHaus經(jīng)過研究分析，提出了總的定時誤差限制： BL≈3104() (223)式中：B為比特率，L為傳輸距離。該式被稱為GordenHaus限制，即通信容量的限制，曾被看作是對單信道光孤子通信碼率與距離的乘積。直到1991年導頻濾波器（亦稱控制濾波器）技術的出現(xiàn)，才使該極限被突破。導頻濾波器的工作原理是：用同步調(diào)制，對孤子載波頻率進行控制，使被放大了的ASE噪聲所破壞的孤子脈沖位置重新定時，進而消除了GordenHaus效應造成的影響。當然，從理論上講，使用導頻濾波器控制ASE噪聲的技術可在無限大的距離上進行孤子傳輸，但在實際上，該技術僅實現(xiàn)了106km的孤子傳輸。 光孤子傳輸系統(tǒng)實驗研究現(xiàn)狀及展望 光孤子通信是實現(xiàn)超長距離高速通信的重要手段，被認為是第五代光纖通信系統(tǒng)。近年來美、日、英等國相繼進行了光孤子通信傳輸?shù)膶嶒灒缑绹呢悹枌嶒炇蚁群筮M行了傳輸距離為4000km、6000km和15000km的光孤子傳輸?shù)膶嶒?，證明了光孤子跨洋通信的可能性，該實驗室還完成了32Gbit/s傳輸90km無誤碼的光孤子數(shù)據(jù)傳輸實驗。再如日本的NTT公司也在完成5Gbit/s傳輸400km和10Gbit/s傳輸300km實驗的基礎上，完成了20Gbit/s傳輸200km和10Gbit/s傳輸1000km直通傳輸?shù)膶嶒灐?996年，日本KDD公司與美國ATamp。 T公司合作建設的新越洋海底光纜，即TPC6工程，就采用了光孤子技術，其傳輸能力達到了100Gbit/s，距離在10000km以上。目前光孤子傳輸實驗可實現(xiàn)的最高碼率和最大傳輸距離分別為160Gbit/s和106km?！　∷羞@些都充分說明了光孤子通信的可行性及其巨大的應用前景。另外，如果采用波分復用、偏振復用和正交偏振等技術，光孤子傳輸系統(tǒng)的有效碼率還可以提高數(shù)倍，甚至能達到Tbit/s數(shù)量級。未來光孤子傳輸系統(tǒng)研發(fā)的趨勢很可能包括三個方面：（1）重視組合功能部件的研制，即將光孤子通信系統(tǒng)中的半導體激光器、光纖、放大器、耦合器等集成在幾個大的功能塊中，使其更趨于實用化；（2）隨著光纖孤子激光器、光纖放大器（尤其是摻餌光纖放大器）技術的日趨成熟，光孤子傳輸系統(tǒng)很可能向著全光纖孤子傳輸?shù)姆较虬l(fā)展；（3）目前光孤子傳輸研究中的光孤子僅限一負色散區(qū)的亮孤子，由于光纖正色散區(qū)比負色散區(qū)范圍大，所以研究在正色散區(qū)傳輸?shù)陌倒伦邮且粋€很有價值課題。因為暗孤子傳輸?shù)木嚯x比亮孤子長約1倍，而且脈沖展寬較慢，受光纖損耗的影響比亮孤子也較小，所以暗孤子光纖通信很可能成為未來光孤子傳輸?shù)闹鲗Х较?。總之，盡管利用光孤子進行通信傳輸要真正實用化尚須解決一系列具體問題，但相信在不久的將來這項技術一定會被推廣和應用。第三章 光孤子源光纖孤子通信是利用非線性效應補償光纖色散的一種新的通信方法，是未來高速長距離通信的優(yōu)選方案。在這種方案中，光孤子源是關鍵部件。鎖模色心激光器、鎖模半導體激光器，增益開關半導體激光器以及摻餌光纖鎖模激光器等都曾被用作孤子光源。增益開關半導體激光器則由于能產(chǎn)生可變速率超短光脈沖，結構簡單、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點，在許多實驗系統(tǒng)中采用。然而，采用這種激光器產(chǎn)生的超短光脈沖，伴隨著很強的頻率嘀啾，頻譜很寬，不宜送入光纖中傳輸，必須采用濾波方法將惆啾濾除。經(jīng)過濾波后的光脈沖，功率很低，通常僅為幾十微瓦，不能達到孤子的閉值功率，須再對超短光脈沖進行。光孤子源由三大部分即增益開關半導體激光器、FP腔濾波器和摻餌光纖放大器構成。. 增益開關半導體激光器用增益開關半導體激光器產(chǎn)生可變速率超短光脈沖。它利用半導體激光器張弛振蕩的第一個尖峰作輸出。我們采用微波信號作為脈沖激勵，通過50Ω微帶線疊加到激光器的直流偏置上。微波信號的頻率和功率可調(diào)，(DFB)半導體激光器。增益開關半導體激光器是孤子光源的核心，其輸出的超短光脈沖特性，是設計和調(diào)整濾波器參數(shù)的依據(jù)。為得對超短光脈沖最佳輸出特性，我們對增益開關半導體激光器的輸出特性與工作參數(shù)以及外部調(diào)制信號的關系進行了系統(tǒng)的實驗研究。（1） 脈寬、峰值功率與運用條件的關系改變激光器的直流偏置，可得到不同寬度和強度的超短光脈沖。在較低的偏置電流下，脈沖較寬，峰值功率較小。隨著偏置電流的增加，脈沖變窄，峰功提高。在某一偏置電流下，脈沖最窄。之后脈沖又變寬，在不同的調(diào)制頻率和調(diào)制功率下，都得到了相似的結果。，脈沖寬度隨偏置電流變化的情況。圖32為相應條件下，峰值功率的變化情況。從圖中看出，當調(diào)制功率增加時，激光器輸出的脈沖更窄，峰值功率更高。 圖31 不同調(diào)制功率下脈寬隨電流的變化圖32 不同調(diào)制功率下峰值功率隨偏置電流變化（2）譜寬與運用條件的關系在增益開關狀態(tài)下，伴隨強的頻率叨啾，激光器的譜寬比穩(wěn)態(tài)時的展寬很多，展寬量也與工作條件有關。改變偏置電流時，譜寬也改變。同脈寬的變化趨勢相反，在較低的直流偏置下，譜寬較小。隨著偏置電流增加，譜寬也增加。在某一點處，譜寬最大，超過此點，譜寬又減小。圖33為不同調(diào)制功率下譜寬隨偏置電流測試的變化曲線，在調(diào)制功率不同時，譜寬也不同，大的調(diào)制功率，得到的譜寬更寬。對不同的增益開關半導體激光器進行的實驗研究都得到了與上述相同的結論。據(jù)此，可以根據(jù)需要改變激光器的工作條件，得到不同輸出特性的超短光脈沖。圖4和圖35為根據(jù)需要調(diào)節(jié)激光器的工作條件所得的超短光脈沖的自相關曲線(SHG)和譜曲線。SHG曲線的半高全寬為38ps，經(jīng)擬合比較，接近高斯型。圖33 不同調(diào)制功率下譜寬隨偏置電流的變化 圖34超短光脈沖的SHG曲線圖35 光譜曲線（條件同圖34） FP濾波器FP腔具有窄帶傳輸特性，適當設計其參數(shù)，使諧振頻率與信號中心頻率一致腔體帶寬與信號帶寬相等，則當光脈沖通過FP腔時，惆啾成分被濾除。濾波器采用準光纖型結構，由一對帶尾纖的自聚焦棒組成。兩根自聚焦棒的自由端鍍有高反射膜，相互平行放置，形成FP腔。尾纖末端與活動連接器相接。濾波器上裝有微調(diào)架，可根據(jù)需要對濾波器的腔長進行調(diào)節(jié)。為避免濾波器中心頻率受外界影響而發(fā)生漂移，F(xiàn)一P腔的一個反射鏡裝有壓電陶瓷，并與單片機反饋控制電路相連，使濾波器工作性能保持穩(wěn)定。利用濾波器對圖34所示的超短光脈沖進行了濾波，濾波后的SHG曲線和譜曲線分別如圖3圖37所示。，達到了高斯脈沖的變換限制。 摻餌光纖放大器經(jīng)濾波后的光脈沖，雖然達到了變換限制，但此時的平均功率已經(jīng)很低，只有幾十微瓦，遠低于孤子鬧值功率。利用自制的摻餌光纖放大器模塊，對濾波后的光脈沖進行了放大。放大器由1根摻餌光纖(30m)，2只的半導體泵浦激光器，2只()波分復用器及1只光隔離器組成。小信號增益28dB，帶寬25nm，最大的輸出功率11dBm。放大后的脈沖平均功率達到，相應于的峰值功率，遠遠超過光纖孤子傳輸要求的闌值功率()。 圖36濾波后的SHG曲線 被動鎖模光纖環(huán)形孤子激光器實現(xiàn)超高速光通信, 激光器可產(chǎn)生短至的光沖, 但這種激光器的重復頻率不夠穩(wěn)定。 Stolen 等人提出利用非線性偏振旋轉產(chǎn)生超短脈沖, Tamura 等人用NPR 激光器產(chǎn)生了, 重復頻率為 ,獲得了被動鎖模光纖環(huán)形孤子激光器穩(wěn)定運行的條件。 圖37 濾波后的譜曲線（條件同圖36）被動鎖模光纖環(huán)形孤子激光器的結構如圖38所示。 腔長( L ) 由普通光纖長度(Loof)和摻鉺光纖長度(Ledf )，摻鉺光纖用于補償光纖環(huán)中的損耗，光隔離器使環(huán)中的光波單向傳輸,起偏器與偏振控制器用來將線偏振光變成橢圓偏振光,產(chǎn)生附加脈沖鎖模,起快速飽和吸收體的作用。 自起動被動鎖模光纖環(huán)形孤子激光器( FRL )的工作原理為: 光信號經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光，而線偏振光經(jīng)偏振控制器( PC) 后變成橢圓偏振光，橢圓偏振光可看成兩個振幅不等但偏振相互垂直的線偏振光的合成，這兩個線偏振光沿光纖相互耦合傳輸，受到光纖中非線性( SPM， XPM), . 圖38 光纖環(huán)形孤子激光器的結構為了研究方便, 我們把由非線性偏振旋轉所引起的附加脈沖鎖模等效為快速飽和吸收體的作用?？焖亠柡臀阵w的作用可表示為:,其中為飽和吸收體的線性損耗。 , (31)其中,Ωg 為增益帶寬。 ,分別為二階色散和三階色散。 , 為腔內(nèi)的線性損耗。 ,分別為三階和五階自相位調(diào)制系數(shù), 是與三階色散等項相關的脈沖的時間移動. 脈沖的慢變包絡U 所滿足的路徑平均非線性薛定諤方程為: (32)其中，r代表腔內(nèi)脈沖強度的變化。設式( 2) 的解為 (33) (34)式（4）是在時，式（26）的標準孤子解，其中為孤子幅度,與孤子脈沖所含光子數(shù)(能量)相聯(lián):，此處τ為脈寬。 p ,T , 分別代表孤子的頻率、中心位置和相位。 是由式( 27)( 33) 代入式( 32) 得到保留至 一階項的演化方程: (35)因微擾場能改變孤子脈沖的振幅、相位、頻率及中心位置,所以將 展開為如下形式: (36)其中，分別表示光子數(shù)、相位、頻率和時間位置的變化。是指沒有微擾場時非線性薛定諤方程的解（34）關于光子數(shù)、頻率、時間及相位的展開函數(shù)： (37)為了得到關于展開系數(shù)的運動方程, 引入展開函數(shù)的自伴函數(shù)。與的關系為： (38)所以 (39)將式(35)代入式(36)得到光子數(shù)變化的一階運動方程： (310)由光子數(shù)(能量)守恒可得 (311)故 (312)由上式可見, 為了滿足光子數(shù)(能量) 沿傳輸方向( z) 不變的條件,脈沖的有效增益應為零,將式( 312)代入式( 310)得 (313) 因，所以式( 313)成為 (314)從式(31