光孤子傳輸系統

以光纖為傳輸媒介，將信息調製到孤子上進行通信的系統。

基本介紹

• 中文名：光孤子傳輸系統
• 外文名：optical soliton transmision system
• 套用學科：光纖通信技術

詞淵

孤子的概念起源於孤立波。1844年，蘇格蘭海軍工程師約翰·斯科特·亞瑟對由於船在河道中運動而形成的駝峰進行觀察，發現當船突然停止時，原來在船前被推起的水波依然維持原來的形狀、幅度和速度向前運動，經過相當長的時間才消失。這就是著名的孤立波現象。1973年，美國威斯康星大學的斯考特等給出了孤立子的一般定義孤立子是非線性波動方程的一個孤立波解，它在與其它同類孤立波相遇後維持其幅度、形狀和速度不變。”孤立子（或稱為孤子）這一名稱的由來也正是由於它具有這種類似粒子的特性。

作用

常規的線性光纖通信系統，限制傳輸容量和距離的主要因素是光纖的損耗和色散。隨著光纖製作工藝的提高，光纖的損耗已接近理論極限，因此光纖色散成為實現超大容量光纖通信急待解決的問題。由於光纖的色散，使得光脈衝中的不同波長的光傳播速度不一致，結果導致光脈衝展寬，限制了傳輸容量和傳輸距離，而光孤子的形成則是依靠光纖的非線性來抵消光纖色散的作用，因此利用光孤子進行通信很好地解決了這個問題。

光纖的群速度色散和光纖的非線性二者的共同作用使得孤子在光纖中能夠穩定存在。當工作波長大於1.3μm時，光纖呈現負的群速度色散，即脈衝中的高頻分量傳播速度快，低頻分量傳播速度慢，另一方面，在強輸入光場的作用下，光纖中產生較強的非線性克爾效應，即光纖的折射率與光場強度成正比，進而使得脈衝相位正比於光場強度，即自相拉調製，造成脈衝前沿頻率低，脈衝後沿頻率高，因此脈衝後沿比脈衝前沿運動得快，引起脈衝壓縮效應，當這種壓縮效應與色散單獨作用時引起的脈衝展寬效應平衡時即產生了束縛光脈衝-光孤子，可以傳播很遠而不改變其形狀與速度，這是所謂的基態孤子，其形狀為雙曲正割形，演化過程如圖1（a）所示。而隨者光脈衝功率的進一步增大，還會形成高階孤子，其特性在傳輸過程中周期性變化，圖1（b）表示三階孤子的演化過程。

圖1 光孤子的傳播情況

在光纖的正群速度色散區，也可以產生孤子，只不過這種孤子表現為無光場的能量凹陷，故稱暗孤子，如圖2（b）所示，而負群速度色散區產生的孤子稱為亮孤子。利用暗孤子同樣可以進行通信，這是有待進一步研究的問題。

圖2 亮孤子（a）和暗孤子（b）

構成

和一般的通信系統類似，光孤子傳輸系統是由孤子源、調製器、傳輸媒介和光放大器、光探測器、判決器（或解調器）等構成。圖3為一光孤子傳輸系統框圖。

圖3 孤子傳輸系統框圖

孤子雷射器產生的是光孤子脈衝。光孤子通信系統中所用的孤子源一般並非嚴格意義上的孤子雷射器，只是一種類似孤子超短光脈衝源，產生滿足基本光孤子能量、頻譜等要求的超短脈衝，這種超短光脈衝在光纖傳輸時自動壓縮、整形而形成光孤子。最早的孤子源是使用鎖模色心雷射器，輸出功率大，容易觀察到孤子現象，但它是固體雷射器，體積大，不適於光纖通信系統。半導體雷射器是適用於光纖通信系統的光源，較理想的孤子源有：鎖模半導體雷射器、增益開關分布反饋半導體雷射器等。鎖模半導體雷射器產生的短光脈衝特性較好，但光孤子源穩定性較差，結構也比較複雜；後一種雷射器依靠大電流注入形成窄脈衝，結構簡單，且重複頻率可調，但產生的光脈衝啁啾大，在入纖前要進行消啁啾。

孤子的峰值功率與光纖色散的平方成反比，因此長距離光孤子通信系統的傳輸媒質是採用色散位移單模光纖，該光纖將色散零點從1.3μm移到1.55μm處，既滿足1.55μm處低色散要求，又利用了光纖在1.55μm附近的低損耗特性。

光纖的損耗不可避免地消耗孤子能量，當能量不滿足形成孤子的條件時，脈衝喪失孤子特性而展寬，只要給孤子補充能量，孤子即自動整形，利用孤子的這一特性可進行全光中繼，不再需要象常規光纖通信系統那樣在中繼站進行光一電一光的轉換，實現了全光傳輸。最初的長距離光孤子傳輸實驗是採用喇曼放大來補償孤子能量，即利用光纖的受激喇曼散射將泵浦光的能量轉化為信號光的能量。摻鉺光纖放大器已成為更為理想的能量補償手段，它的成功套用極大促進了光孤子傳輸研究的進展。

每30～50km加一個摻鉺光纖放大器，這是一種集總式能量補償方式。在這樣的系統中，如果放大器的間距遠小於孤子的特徵長度，則能形成所謂“導引中心孤子”（或稱為路徑平均孤子），可以超長距離穩定傳輸，即使光纖的色散有抖動，這種孤子也是穩定的。在放大器的間距與孤子的特徵長度可比擬時，如果使進入光纖時脈衝的峰值功率大於基態孤子所要求的峰值功率，所形成的孤子也能長距離穩定傳輸，這通常被稱為預加重技術或動態光孤子通信。光孤子在使用集總式摻鉺光纖放大器的系統中能穩定傳輸的特性是光孤子通信能實用的一個關鍵。而且光孤子也很容易實現波分復用（即利用不同波長的光孤子在同一光纖中傳輸）和偏振復用（即利用不同偏振方向的光孤子在同一光纖中傳輸），進一步提高了傳輸容量。

但是採用光放大器不可避免地帶來自發輻射噪聲，這是一種熱噪聲，與孤子相互作用後造成孤子中心頻率的隨機抖動，進而引起孤子到達接收端時間的抖動，即戈登-豪斯效應，這一現象是限制孤子傳輸系統的容量、放大器間隔等系統指標的重要因素。在放大器後加上一個帶通濾波器可以較好地抑制戈登-豪斯效應。

光孤子的形成及其傳輸

光孤子形成機理：

目前普遍使用的通信光纖波長λ分別為1.3µm和1.55µm，對應著群速度色散（GVD）處於負值的區域（反常色散區），滿足群速 vg = d ω /dβ（ω為載波頻率，β為光波波數），即群速度和載波頻率成正比，則光脈衝中不同頻率的分量將以不同速度傳播，導致脈衝分散；而當存在自相位調製（SPM）時光脈衝中具有正啁啾，即前沿部分的載頻低，後沿部分的載頻高，當在光纖中傳輸時，前沿傳輸速度慢，而後沿傳輸速度快，從而光脈衝被壓縮。由此可見，若這種壓縮正好抵消由光纖色散後產生的脈衝展寬，那么光脈衝寬度將保持不變。這種在光纖中永不變形傳輸的光脈衝就稱為光孤子。可見，光孤子的形成機理是光纖中群速度色散（GVD）和自相位調製（SPM）效應在反常色散區的精確平衡。

支撐技術

5.1孤子放大

由於光纖損耗的存在，將導致孤子的能量不斷減少，這會使得補償色散展寬的非線性自相位調製效應減弱，從而使光脈衝展寬，嚴重影響光孤子遠距離、大容量傳輸，因此在光纖通信系統中需要在光纖線路中每隔一定距離對光孤子進行放大。可以說孤子放大技術是該光孤子通信系統傳輸距離、容量的決定性因素。

目前基本上使用兩種孤子放大技術，一種是分散式光放大器，使用受激喇曼散射（SRS）放大或分散式摻餌光纖放大器（EDFA）；另一種是集總式光放大方法，使用集總式摻餌光纖放大器（E D F A ）對孤子進行放大。

SRS光放大器是利用傳輸本身的SRS效應來補償孤子的能量。它的基本思想是當兩個不同頻率的光波在同一光纖中傳輸時，由於光纖的非線性作用，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放大的優點是光纖本身就成為光放大介質，由於這是一種分散式放大，所以周期性擾動小，只要保證泵浦周期小於8倍的孤子周期，就可保持孤子的穩定傳輸。同時它也存在自身的缺點，那就是SRS放大器的泵浦效率很低，僅0.1dB/mV左右，為達到實用的增益，泵浦功率必須在數百毫瓦功率級，用半導體雷射器很難實現；SRS放大器還存在噪聲，所以這個方法離光孤子通信的實用化還有一定的距離。

分散式EDFA使用低濃度的摻餌光纖作為傳輸介質，利用其產生的受激放大增益來補償光纖損耗。該放大器最大的特點是對光信號直接進行放大，已在實際中得到廣泛使用。如圖 3 所示：光纖傳輸線中接入摻餌光纖，而泵浦功率通過光纖耦合器進入光纖，摻餌光纖受到泵浦作用而產生受激輻射，來放大工作頻帶的光信號。分散式EDFA的優點是增益效率高（可達2~40.1dB/mV），泵浦功率幾十毫瓦即可，可用半導體雷射器實現；插入損耗小、噪聲低、通信容量大、泵站間隔長（比集總式長2倍以上）。其缺點是傳輸介質必須使用摻餌光纖，成本較高。集總式放大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（目前通常採用EDFA）來補償孤子的能量損失。這是目前光孤子通信套用的主體方案，比較經濟實用。其缺點是孤子幅度與能量起伏較大，產生色散波，因此穩定性不如分散式的好。

5.2 ASE噪聲控制

對於超長距離光孤子傳輸系統，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。這樣經過 E D F A 累加放大的自發發射（ASE）噪聲就成為系統的主要噪聲源。ASE 噪聲將引起孤子中心頻率的抖動，而由於光纖色散，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Gorden-Haus效應。此效應使系統的極限通信距離受到限制，並使輸入功率的容許變化範圍減小。

Gorden-Haus經過研究分析，提出了總的定時誤差限制：

BL≈3×(km·Gb/s) (4)

式中 B 為比特率，L 為傳輸距離。

式（4）被稱為 Gorden-Haus 限制，它曾被看作是對單信道光孤子通信碼率與距離的乘積即通信容量的限制，直到1991年導頻濾波器（亦稱控制濾波器）技術的出現才使得該極限被突破。導頻濾波器的工作原理是：使用同步調製，對孤子載波頻率進行控制，使被放大的ASE噪聲破壞了的孤子脈衝位置重新定時，從而消除了Gorden-Haus效應造成的影響。理論上說，使用導頻濾波器控制ASE噪聲這項技術可望實現無限長距離上的傳輸，在實踐中，利用該技術已實現了106km的孤子傳輸。

發展

1973年，美國貝爾實驗室的長谷川等就在理論上預言光纖中有可能傳輸孤子，但是當時沒有合適的光纖及相應的孤子源，使得這一理論長期沒有被證實。直到1980年貝爾實驗室的莫勒瑙爾（Mol-lenauer）等才首次在實驗室中觀察到孤子。而半導體雷射器和摻鉺光纖放大器在光孤子通信實驗系統中的成功套用，促進光孤子通信系統向實用化邁進了很大一步。1992年，日本電報電話公司先後報導了速率為10Gbit/s，傳輸1.2萬公里和速率為20Gbit/s，傳輸1.2萬公里的直通光孤子通信實驗系統。美國貝爾實驗室則利用光纖環實現了5Gbit/s，傳輸1.5萬公里的單信道孤子系統和傳輸1.1萬公里，總碼速達到10Gbit/s的雙信道波分復用孤子通信系統。

光孤子通信克服了光纖色散的制約，極大地提高了傳輸容量，使光纖通信的潛力得以充分發揮。尤其是當速率超過10Gbit/S時，光孤子傳輸系統將顯示出明顯的優勢。光孤子通信極有可能作為新一代光纖通信方式在跨洋通信和洲際陸地通信等超長距離、超大容量系統中得到套用。