（通信与信息系统专业论文）光孤子通信系统中光孤子传输特性的研究.pdf

重庆邮电学院硕士论文 摘要 当前，光纤通信网已成为现代长途干线通信网的主体，但是随着信息业务特 别是数据业务和因特网业务的快速增长，目前光纤传输系统的容量己不能满足商 业应用的要求，而且光纤通信系统本身也存在很大的缺陷，就是光纤色散使光脉 冲沿光纤传输时被展宽，因此迫切需要找到一种切实可行的解决方法。非线性光 纤光学的研究表明，光纤非线性自相位调制效应( k e r r 效应) 能够使光脉冲在光 纤反常色散区中传输时被压窄，所以人们提出t n 用光纤非线性自相位调制效应 来抵消光纤色散的思想，由此提出了光孤子通信。光孤子通信是2 0 世纪8 0 年代 初期出现的一种新颖的非线性全光长距离通信，是新一代高速长距离通信的优选 方案。 光孤子的传输是光孤子通信系统的核心问题，是实现超高速、超长距离全光 通信的基础。影响光孤子传输的因素很多，例如光纤损耗、孤子间的相互作用、 各种高阶效应以及参量随机变化等等，因此研究光孤子在光纤中的演化过程及其 在光纤介质中的传输特性就显得非常重要。 考虑到光纤重要的线性和非线性效应，如光纤损耗，群速度色散，高阶色散 效应，非线性k e r r 效应，自陡效应，受激拉曼效应等，本文首先介绍了光孤子通 信中的基本概念，然后运用对称分步f o u r i e r 方法数值求解了描述光脉冲在光纤中 传输的非线性s c h r 6 d i n g e r 方程，最后模拟了孤子在理想无损无扰动光纤中及存在 多种扰动影响下的传输演化特性，并提出t * g 应的抑制孤子间相互作用的方法。 关键词：光孤子，群速度色散，k e r r 非线性，非线性薛定锷方程，自陡效应，受 激拉曼散射 重庆邮电学院硕士论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sh a v eb e e nt h ep r i n c i p a lp a r to f c o n t e m p o r a r yl o n g - d i s t a n c e e o m m a n i c a t i o nn e t w o r k s b u t ，a l o n gw i t ht h e r a p i d g r o w i n go fi n f o r m a t i o ns e r v i c e ，e s p e c i a l l yd a t as e r v i c e sa n di n t e r n e ts e r v i c e s ，t h e t r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a sn o tm e tt h ed e m a n d o fc o m m e r c ea p p l i c a t i o n s f u r t h e r m o r e ，t h e r ei sa ni n t r i n s i cp r o m i n e n td i s a d v a n t a g e t h a tt h eo p t i c a lp u l s e sa r es p r e a do u ta l o n gt h ef i b e rd u et of i b e rd i s p e r s i o ni no p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e r e f o r e ，i ti se x i g e n tt of i n daf e a s i b l em e t h o dt os o l v e t h i sp r o b l e m t h es t u d yo f n o n l i n e a rf i b e ro p t i c sh a sd e m o n s t r a t e do p t i c a lp u l s e sc a l lb e c o m p r e s s e db yn o n l i n e a rs e l f - p h a s em o d u l a t i o ne f f e c t ，w h i c hi sn o n l i n e a rk e r re f f e c t , i nt h ea n o m a l o u sd i s p e r s i o nr e g i m eo ff i b e r s s o ，t h ei d e at h a tt h en o n l i n e a rs e l f - p h a s e m o d u l a t i o ne f f e c ti su s e dt oc o u n t e r a c tt h ef i b e rd i s p e r s i o ne f f e c ti sp u tf o r w a r d ，a n d t h e n c e ，o p t i c a l s o l i t o nc o m m u n i c a t i o ni s b r o u g h tf o r w a r d o p t i c a l s o l i t o n c j m m u n i c a t i o ni san o v e ln o n l i n e a ra l l - o p t i c a la n dl o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yp r e s e n t e di nt h ee a r l yo f 2 0c e n t u r y8 0 s a n di ti sa r to p t i m i z e ds c h e m ef o r n e wh i g hs p e e da n dl o n gd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n s t h et r a n s m i s s i o no fo p t i c a ls o l i t o n si st h ek e yo fo p t i c a ls o l i t o n sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa n d t h eb a s eo fa c c o m p l i s h i n g u l t r a h i g hs p e e d a n d u l t r a l o n g d i s t a n c e a 1 1 o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s t h e r ea r em a n yf a c t o r si n f l u e n c i n go p t i c a ls o l i t o n s t r a n s m i s s i o n ，s u c ha sf i b e rl o s s ，i n t e r a c t i o no fs o l i t o n s ，v a r i o u sh i g h e ro r d e re f f e c ta n d s t o c h a s t i cv a r i e t yo f p a r a m e t e r sa n ds oo n s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h e t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f o p t i c a ls o l i t o n si no p t i c a lf i b e r i nt h i sp a p e r , c o n s i d e r i n gt h ei m p o r t a n tl i n e a ra n dn o n l i n e a ro p t i c a le f f e c t sl i k e f i b e r l o s s ，g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n ，h i g h e ro r d e rd i s p e r s i o n ，k e r rn o n l i n e a r i t y , s e l f - s t e e p e n i n ga n ds t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ，f i r s t l yt h eb a s a lc o n c e p t i o n si no p t i c a l s o l i t o nc o m m u n i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e n ，m a k i n gu s eo fs y m m e t r i cs l i t - s t e p f o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o d ，n o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o nd e s c r i b i n gt h eo p t i c a l s o l i t o n st r a n s m i s s i o ni ss o l v e dn u m e r i c a l l y , f i n a l l y , t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f o p t i c a ls o l i t o n si no p t i c a lf i b e rw i t h o u tl o s sa n da n yp e r t u r ba n dw i t ha l o to fp e r t u r b s a r es i m u l a t e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d sw h i c hr e s t r a i nt h ei n t e m c t i o nb e t w e e n s o l i t o n sa r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：o p t i c a ls o l i t o n ，g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n ，k e r rn o n l i n e a r i t y , n o n l i n e a r s c h r 6 d i n g e re q u a t i o n ，s e l f - s t e e p e n i n g ，s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g i i 重庆邮电学院硕士论文 三d 只 l n i 符号含义 光场慢变包络的复振幅 有效纤芯截面面积 光在真空中的传播速度 光波频率 光波长 光脉冲的中心波长 光脉冲中心频率 非线性k e r r 系数 光纤削谶性参数，产等 脉冲群速度 光纤的一阶色散参数，屈= l v 光纤的群速度色散参数 光纤的三阶色散参数 色散戮。= 曼d 3 ( 一芋屈 v 一 f j a 长n , 小篙 输入脉冲的峰值功率 椴眭长度，m = 两1 力心 如 c 国 丑 五 他 ， 匕 屈 压 屈 d 重庆邮电学院硕士论文 n “( 孝，f ) f 强笃 五z d w 脉冲的半功率点全宽 脉冲的初始半宽度( 强度为1 已时的半宽度) ，对s e c h 型光脉 冲有瓦= 丽t b t v h m 一为一僦= 专= 箭 归一化慢变包络的复振幅，甜= 咖 归一化时间，f ：! 二生丘( f 为物理时间) l j 归一化距离，f = 二( z 为物理距离) 。 上d 光纤的零色散波长，五z d “1 3 1 ，u n f o h r i e r 空间中的角频率 重庆邮电学院硕士论文 a s e b e r c d p f c s r z d a r p a d c f d d f d f b 一0 d d s f d w d m e a m e d f e d f a e f r l e t d m f e c f r l f w m g s l d 英文简写中译 a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n放大器自发辐射噪声 b i te r r o rr a t i o误码率 c o m b - l i k e d i s p e r s i o np r o f i l e df i b e r蜂巢形色散光纤 c a r t i e r - s u p p r e s s e dr e t u r nz e r o抑制载波归零 d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y 国防部高级研究计划局 d i s p e r s i o nc o m p c n s a t i o nf i b e r色散补偿光纤 d i s p e r s i o n d e c r e a s i n gf i b e r色散缓变光纤 d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e rd i o d e 分步反馈激光器 d i s p e r s i o n s h i f t e df i b e r色散位移光纤 d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 密集波分复用 e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r电吸收调制器 e r b i u m d o p e df i b e r掺铒光纤 e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r掺铒光纤放大器 e r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e r掺铒光纤环形激光器 e l e c t r i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 电时分复用 f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n前向纠错 f i b e rr i n gl a s e r光纤环形激光器 f o u r - w a v em i x i n g 四波混频 g a i ns w i t c hl a s e rd i o d e增益开关激光器 v 重庆邮电学院硕十论文 g v d h n l s e l d m f r l m q w n l s e n r z 0 i d a o t d m p d m p m d r z s b s s m f s n r s p m s r s t d m w d m x p m g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n群速度色散 h i g hn o n - l i n e a rs c h r s d i n g e re q u a t i o n高阶非线性薛定锷方程 l a s e rd i o d e 激光二极管 m o d e l o c k e df i b e r 硒n gl a s e r 锁模光纤环形激光器 m u l t i - q u a n t u mw e l l s多量子阱 n o n - l i n e a rs c h r s d i n g e re q u a t i o n 非线性薛定锷方程 n o nr e t u r nt oz e r o s非归零 o p t o e l e c t r o n i c si n d u s t r yd e v e l o p m e n ta s s o c i a t i o n 美国光电工业发展协会 o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g光时分复用 p o l a r i z m i o nd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g偏振复用 p o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n 偏振模色散 r e t u r nt oz e r o归零 s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g 受激布里渊散射 s i n g l em o d e f i b e r单模光纤 s i g n a lt on o i s er a t i o信噪比 s e l f - p h a s em o d u l a t i o n自相位调制 s t i m u l a t e dr a r n a ns c a t t e r i n g 受激拉曼散射 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g时分复用 w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g波分复用 c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n交叉相位调制 v i 重庆邮电学院硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得重麽邮电堂瞳或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名獬签字日期：矽彬午妇g 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆邮电堂瞳有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆邮电学院可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：姗导师签名：l 卫竹淆 签字日期：印年玉月f f 日签字日期：。牛年明憎日 重庆邮电学院硕士论文 1 1引言 第一章绪论 当前，光纤通信网已成为现代长途干线通信网的主体。但是随着信息业务特 别是数据( d a m ) 业务和因特网( i n t e m e t ) 业务的爆炸式增长，使得光纤传输系 统的容量已不能满足商业应用的要求。据估计，在1 9 9 9 年，单是电子商务所产生 的数据业务量就等于过去3 0 年_ 电信业务量的总和。美国光电工业发展协会( o i d a ) 和国防部高级研究计划局( d a r p a ) 预测【1 】，到2 0 0 8 年，信息业务总容量将达到 i o o t b r 。这种不断迅速增长的多媒体混合业务给通信网的建设提出了新的挑战， 建设可靠、经济、宽带大容量的全光通信网络，已成为未来通信网建设的必然趋 势。 全光通信网是光纤通信技术发展的最高阶段，是一项集通信技术、电子技术、 光电子技术及光传输技术为一体的复杂工程，要在光域内实现信号的产生、检测、 传输、交换、复用、路由、监控及生存性保护，实现高速大容量传输，涉及到许 多复杂的技术问题【2 j ，其中主要包括超短脉冲的产生与调制、全光复用与解复用、 光时钟的提取、光的线性和非线性( 孤子) 传输、全光3 r 1 3 l ( m a r n p l i f i c a t i o n ，r e t i m i n g a n dr e s h a p i n g ) 中继等。目前，激光光源的研究主要集中在高集成度，产生连续可 调的超短光脉冲，采用d f b l d l 4 、m q w 锁模l d 5 1 、锁模e d f 激光器【6 】、超连 续( s c ：s u p e r c o n t i n u u m ) 波脉冲技术 7 ，都能产生超短光脉冲。现在开发的全光 开关能突破其限制，如采用平面光波回路( p l c ) 技术的复用器可复用单波长信 道速率达1 0 0 g b i t s 6 0 0 g b i t s 【8 j 。反射型的光克尔开关、基于半导体光放大器 ( s o a ) 的四波混频( f w m ) 开关等都能提供高速的光交换和解复用。基于f w m 技术的光锁相环( p l l ) 可用于高速的时钟提取 9 1 。宽带实用化的掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 面世提供了光中继放大【l 。所有这些系统中的关键元器件的发展都为 实现超高速全光通信提供了物质基础。 光孤子通信是一种新颖的非线性全光长距离通信，是新一代高速长距离通信 的优选方案，它利用强脉冲在光纤中产生的非线性压缩效应来补偿脉冲的色散展 宽效应，实现高速孤子脉冲稳定地传输。其传输速率比线性光纤通信的速率高2 3 个数量级，通信距离可达数万公里，并适合w d m 、o t d m 长距离通信，是 进一步提高通信系统容量的最佳通信方式，其研究已取得重大进展。 重庆邮电学院硕士论文 1 2 光孤子通信的研究进展及发展前景 早在1 9 7 3 年美国b e l l 实验室的科学家a h a s e g a w a 等人【1 1 1 2 1 就在理论上预言 了光纤孤立子( 简称“光孤子”) 的存在，但是由于当时没有合理的光纤及相应的 孤子源，使得这一理论长期没被证实，直到1 9 8 0 年b e l l 实验室的l f m o l l e n a u e r 玎1 等科学家才首次利用7 0 0 m 光纤观察到了脉宽为7 p s 的光孤子，为光孤子通信 的实验研究开辟了道路。 1 2 1国内光孤子通信的研究进展 我国的光孤子通信研究起步比较早，从1 9 8 4 年就开展了基础理论方面的研究 工作，在光孤子传输特性分析、试验方案、系统设计等方面取得了显著的成果。 目前理论研究工作已处于世界前列，研究面已经涉及到正色散区和反色散区的各 种非线性光学现象；对包含修正的高阶非线性薛定锷方程有较深的研究，获得了 多种形式的孤子解；发现了纵向非均匀光纤可抑制在f s 级光孤子传输中的拉曼自 频移效应等。 在技术方面，1 9 9 4 年，我国由武汉邮电科学研究院研制的掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 在武汉通过鉴定【l 。该放大器具有增益高、噪声低、增益特性与光偏振态 无关，在多路系统中信道交叉串扰通常可以忽略等一系列优点，达到世界先进水 平。在光端机的发送端加后置式e d f a ，在接收端加低噪声前置式e d f a ，可以使 2 5 g b i t s 系统具有跨越1 0 0 2 5 0 k m 无中继距离的能力，可大大降低中继成本。 1 9 9 9 年初，“8 6 3 ”研究项目“o t d m 光孤子通信关键技术研究”通过了专家验收。 该项目组成功研制了增益开关激光器( g s l d ) 和2 5 0 b i t s 的r z 脉冲光接收机， 并在以下诸方面取得了成功： ( 1 ) 用色散补偿光纤( d c f ) 对光脉冲进行压缩： ( 2 ) 采用2 5 2 0 g b i t s 的光信号复用； f 3 ) 从2 0 g b i t s 的复用系统中提取2 5 g b i t s 电时钟； ( 4 ) 采用非线性光学环路实现2 5 2 0 g b i t s 的解复用； ( 5 ) 采用啁啾光栅对2 0 g b i t s 信号在标准单模光纤中传输街5 k m 后造成的色散 进行补偿； ( 6 ) 研制了2 5 g b i t s 铌酸钾强度调制发送单元； ( 7 ) 成功进行了2 0 g b i t s 、好k m 的光纤传输试验等等。 但是，目前我国工业水平较低，特别是高新技术工业基础比较薄弱，加之我 国对光孤子通信研究的经费投入较少，所以在实验研究工作方面进展较缓慢。 重庆邮电学院硕士论文 1 2 2国外光孤子通信的研究进展 1 9 9 5 年以前，光孤子通信理论与技术就己达到了很高的水平，充分显示了其 巨大的通信能力，但是技术难度较高，耗资巨大，各国的传输试验都是在实验室 内采用环路模拟来实现。如1 9 8 6 年【l ”，g o r d o n 和h a u s 在b e l l 实验室发现了 g o r d o n h a u s 效应，以及由此产生的光孤子通信系统的传输距离极限 g o r d o n h a u s 极限：1 9 9 0 年【”】，h a s e g a w a 和k o d a m a 为研究周期性放大条件下的 孤子传输问题，提出了平均孤子理论；1 9 9 4 年，日本的1 0 g b i t s 、传输9 1 0 0 k m 的光孤子通信试验获得成功，并接近实用阶段等等。 1 9 9 5 年以来，光孤子通信的研究不再局限在理论和实验室内，国外已计划进 行了一系列的孤子外场试验，其中著名韵有以下几个f ”】。 ( 1 ) 日本科学技术行动计划中提出的星计划项目( s t a rp r o j e c t ) 。日本的 七家大公司和两所大学参与了该项发展计划，其目标旨在采用孤子技术构建全球 距离的t b i t s 全光网，以满足急剧增长的多兆比特、多媒体业务的需求，要求比 特率距离积( b l ) 比现有网络提高1 0 倍，使现有的通信网改建升级为下一代通 信网基础设施。该计划自1 9 9 6 年开始，历时1 0 年。 ( 2 ) 荷兰飞利浦光电子研究中心主持的欧洲升级计划( u p g r a d e ) 。该计划 的目标是在欧洲网中采用光孤子传输，在已铺设的标准单模光纤上采用光孤子传 输，为欧洲的通信干线增大容量，但是工作波长为1 3 0 0 n m ，所采用的孤子能量补 偿放大器是1 3 0 0 n m 半导体光放大器( 以前大部分光孤子通信系统都是采用 1 5 5 0 n m - 孤子脉冲和e d f a ) 。 ( 3 ) 美国m i t 林肯实验室主持的超快孤子多接入网计划。该计划研究单信道 1 0 0 g b i t s 的t d m 多接入网的网络结构、节点与接收设备等关键技术，首先是高 速光孤子源、 能光孤子t d 高速视频业务、t b i t s 媒体群、超级计算机网等提供可变宽带( 1 1 0 0 g b s ) 和分 组业务，支持大数据信息的快速转移和低级用户的灵活接入。 ( 4 ) 欧盟先进通信技术与设施( a c t s ) 计划( m i d a s ) 。该计划是由英国南 安普敦大学光电子研究中心主持的，有瑞典、意大利、法国、希腊、英国等五国 的八大单位参加。其目的是发展先进通信系统和设施，以推进欧盟内部的经济发 展与社会的结合，研究重点是从基本概念的探索和具体的系统工程开始，直到先 进系统和一般业务应用相关的各种实际问题。具体任务是在1 0 0 0k m 己铺设的普 通单模光纤( s m f ) 和色散位移光纤( d s f ) 线路上将通信容量升级到4 0 g b i t s ， 探索新概念和新技术，完成4 0 1 0 0 g b i t s 孤子传输野外现场试验。 ( 5 ) 2 0 0 0 年，全球十大通讯集团之一的英国m a r c o n i 公司成立了一个名为 重庆邮电学院硕士论文 s o l s t i s 的小组以发展基于孤子技术的超高速光网络，目标是使用w d m 技术， 实现1 t b i t s ，1 0 0 0 k m 以上的色散管理孤子传输。2 0 0 1 年6 月，该公司正式推出 了基于孤子的s m a r t p h o t o n i xu p l x1 6 0 商用系统，这套系统采用了先进的色散管 理孤子技术，具有可扩展性和灵活性，而且它提供的总容量为1 6 t b i t s ( 1 0 g b i t s 1 6 0 ) ，可无电中继传输3 0 0 0k m 。2 0 0 2 年3 月，澳大利亚的大规模长 途运营商a l l l c o mi p lp 哆有限公司选择了m a r c o n i 公司的超长距离孤子通信技术作 为a i i l c o mi p l 方案的一部分，这是迄今为止全球最长的没有电信号中继的陆地商 业光传输网络。m _ r r l c o mi p l 方案是澳洲第一条采用下一代( n g ：n e x tg e n e r a t i o n ) 技术的方案，也是首批商用的孤子通信系统。 表l 汇集了近年来完成的几个孤子现场试验的一些数据，其中多项试验是在 4 0 g b i t s 速率上完成的，有一种试验系统采用标准单模光纤( g 6 5 2 ) ，有一种采用 在线孤子控制技术，有一种采用2 r 中继器，在速率r 1 0 g b i 讹时采用d s f ( g 6 5 3 ) 光纤，有3 个实验采用偏振复用技术f p d m ) ，容许较宽的孤子脉冲，较长的放大 器间距。表2 是几个典型的多分复用孤子传输试验，从表中可以看出，波分复用 ( w d m ) 技术是常用的复用技术，这是由于它具有很多突出的优点，比如可以充 分利用光纤巨大的带宽资源，与光纤放大器结合可以节约大量的光电再生器，能 在很大程度上提高光通信系统的通信容量等等。同时，利用拉曼放大器取代e d f a 放大器也进行了有益的探索【2 土”j ”。 表1 容量光孤子源光纤 放大器间距 脉宽( p s ) 试验单位时间文献 ( g b i t s k m )( k m ) 1 0 2 0 0 0d f b l dc d p f8 01 3 j a p a n 1 9 9 8 1 8 4 0 】4 0 0m f r l d s f 5 55 n r r 】9 9 8 19 】 4 0 x 4 0 0m f r l d s f5 71 0 s w e d e n 1 9 9 9 2 0 】 4 0 5 0 0e a m d s f1 0 01 0 i t a l y 1 9 9 9 2 1 8 0 1 7 2e f r ld s f5 7 _ 34 5 s w e d e n 1 9 9 9 2 2 】 8 0 1 2 0 0e a m n z d s f1 0 06 0 b e l l 2 0 0 2 2 3 】 1 0 7 2 2 5s m f1 0 0 b e l l 2 0 0 3 2 4 4 重庆邮电学院硕士论文 表2 容量( 信道数 信道间距放大器间光纤复用技术备注试验单位时间 g b i f f s k m ) ( g h z )距( k m ) 2 献 3 0 4 2 7 x 3 7 52 0 0 1 2 5s m fw d m ，e t d mc s r z ，f e c n t t 2 0 0 0 2 5 】 4 3 0 s m fo t d me a m u s a 2 0 0 0 2 6 】 8 4 0 6 4 0 1 0 0 8 0 n z d s fd w d mr z 码 j a p a n 2 0 0 0 2 7 】 3 0 4 0 x1 0 0 0 l o o1 6 0 ，2 0 0n z d s fe t d m 拉曼放大 l o n d o n 2 0 0 1 2 8 2 5 4 0 3 6 21 0 0s m fw d m ，e t d mc s r z 码 j a p a n 2 0 0 2 2 9 】 2 0 0 1 0 x 9 2 4 0 4 0d c fw d mf e c j a p a n 2 0 0 2 3 0 4 0 x 4 2 7 2 4 0 01 0 0l o od c fw d mc s r z 码 u s a 2 0 0 2 31 】 1 2 3 光孤子通信的发展前景 光孤子通信是新一代光纤通信方式，可以在跨洋通信和洲际通信等超长距离、 超大容量的系统中得到应用，它被公认为光纤通信中最有发展前途、最具开拓性 的前沿课题。 目前，国外在光孤子商业应用上基本存在着三种观点，第一种是以法国a l g e t y 电信公司为代表的人认为，密集波分复用( d w d m ) 孤子系统能解决光网络中出 现的色散或光脉冲展宽问题，单信道速率为4 0g b i f f s 和更高速率确实需要采用光 孤子技术，该公司于2 0 0 1 年三月获三千一百万美元的风险资金来开发孤子通信。 但是c i s c o 光网集团公司( 前身是p i r e l l i 光系统公司) 对光孤子技术用于高速系 统却持反对意见，他们认为，光孤子属于归零( i 屹) 码型，而网络设备，如路由 器、a t m 交换机和s d h 设备等都使用不归零( n r z ) 码型，这就存在一个互操 作问题。s y c a m o r e 公司则认为，现在大多数人都同意色散管理光孤子技术是下一 代超长距离地面系统的一种可选技术，至于归零和不归零的矛盾可以通过把波分 复用系统的设计与路由器的设计分开，然后在它们的接口处进行归零和不归零的 变换来解决。 所以可以说，现在孤子通信技术已趋成熟，2 0 0 0 年提出的孤子( 或非线性r z 脉冲) 通信系统i t u 标准建议己充分显示光孤子的大规模商用已为期不远了i - | j j o 重庆邮电学院硕士论文 1 3 本论文研究的目的、意义和方法 随着人类社会信息传输量的日益增加，现有通信系统的通信容量和传输速率 越来越不能满足人们的要求。光纤通信巨大的带宽资源和相对低廉的制造成本使 得光纤通信系统成为现代通信中最为重要的基础设施之一。但它也存在两大缺陷， 其一是光纤损耗，它会造成光脉冲能量下降，幅度降低，从而限制脉冲无中继传 输的上限距离。不过随着光纤制造工艺和材料提纯技术的提高，光纤损耗有了很 大改善，己接近理想极限值( o ! d b k m ) ，无中继传输距离己达到1 0 0 k i n 以上。 其二是光纤色散，它使光纤通信系统的光脉冲沿光纤展宽，传输距离越长，这种 展宽效应就越明显，最终导致脉冲间串扰，误码率增加，从而影响光纤通信系统 的性能。因此光纤色散成为限制光纤通信容量和通信距离的主要因素。所以，如 果能够设法抵消光纤色散效应，使光脉冲的形状保持不变，即可大幅度提高系统 的传输距离和通信容量。非线性光纤光学的研究表明【3 4 1 ，光纤非线性自相位调制 ( s p m ) 效应能够使在光纤反常色散区中传输的光脉冲被压缩，从而抵消光纤色 散效应所引起的脉冲展宽。由此，人们提出了光孤子通信。 光孤子在光纤中的传输演化特性是光孤子通信系统的核心问题，是实现超高 速、超长距离全光通信的基础。影响光孤子传输的因素很多，如光纤损耗、放大 器的自发辐射( a s e ) 噪声、光孤子间的相互作用、光纤中的高阶效应、光纤参 量的随机变化等等，因此研究光孤子在光纤中的演化过程及其在光纤介质中的传 输特性就显得非常重要。 广泛应用于光孤子通信研究的基本方程即非线性薛定谔方程( n l s e ) 和高阶 修正的n l s 方程( h m n l s e ：h i g hs t e p sa n dm o d i f i e dn l s e ) 都是非线性偏微分 方程，在一般情况下不适合用解析法求解，除非是在能使用逆散射分析方法的某 些特殊情况下才有可能【3 “。为了阐明光纤的非线性效应以及光孤子在光纤中传输 时的演化特性，通常需要进行数值处理。本研究所采用的基本方法即是目前已广 泛应用于各个领域的分步傅立叶数值方法，此种方法因为采用了快速傅立叶变换 ( f f t ) 算法，所以相对大多数有限差分法有很快的速度。 本课题的完成要基于大量的计算机模拟实验方法，大多数的模拟均被安排在 m a t t a b 6 p c 上进行。 1 4 论文结构 本文主要探讨光孤子传输的基本特性及在各种扰动影响下的传输演化特性， 并作了大量的计算机模拟实验，比较了有扰动与无扰动情况下的孤子传输特性。 具体内容安排如下： 6 重庆邮电学院硕士论文 l 、首先对国内外光孤子通信的研究现状与发展前景进行了探讨，阐述了本论文研 究的目的、意义和方法，最后给出了全文的内容轮廓。 2 、首先阐述了光孤子及光孤子通信的概念，然后回顾了光纤介质的线性和非线性 特性，最后详细介绍了本论文所采用的研究方法对称分步f o u r i e r 数值方 法。重点讨论了影响光孤子传输特性和通信容量的主要因素与对称分步f o u r i e r 数值方法。 3 、第三章研究了光孤子在不考虑损耗及各种高阶扰动因素时的基本传输特性，重 点讨论了两孤子及多孤子的传输情况，揭示了要想使两孤子及多孤子在光纤中 稳定传输必须对其相互作用进行有效的抑制，并给出了抑制其相互作用的有效 方法。 4 、第四章通过对称分步f o u r i e r 方法，对光孤子在光纤损耗、k e r r 系数的随机扰 动、高阶色散效应、非线性色散效应、拉曼散射诱发的自频移效应等多种扰动 作用下的传输特性进行了研究。重点研究了三阶色散效应与k e r r 系数随机扰 动以及与非线性色散效应同时作用时的孤子传输特性。 5 、对本文做了总结，提出了未来需要继续开展的研究工作。 重庆邮电学院硕士论文 第二章光孤子通信中的基本概念 2 1 孤立子与光孤子( o p t i c a ls o l i t o n ) 孤子( 或孤立子) 是一种特殊的脉冲，是经过长距离传输后其形状和速度都 保持不变的波，严格地说，它是完全可积的非线性偏微分方程的非奇异解。其最 初是英国海军工程师j s r u s s e l l 于1 8 3 4 年偶然观察到船舶在河流中航行时形成 的一种奇特的水波。他在1 8 4 4 年9 月英国科学促进会第1 4 次会议上所作的报告 3 6 1 是这样描述的，这种奇特的水波“平滑而轮廓分明”，并在快速行进过程中其形 状、幅度和速度都基本保持不变。他认为这种波是流体力学中的一个稳定解，称 它为“孤立波( s o l i t a r yw a v e ) ”。1 8 9 5 年，荷兰数学家k o r t e w e g 和d ev r i e sp7 j 研 究了浅水波的波动，建立了著名的k d v 方程，并得到了与j s r u s s e l l 观察相一 致的形状不变的孤立波解。1 9 6 5 年，美国b e l l 实验室的物理学家n z a b u s k y 和 数学家m d k r u s k a l 【3 ”在研究等离子体孤立波的碰撞过程时发现，孤立波在相 互碰撞后，除相位外，仍然保持其形状、幅度和速度不变，并遵循动量和能量守 恒定律，类似于粒子的特性，故被称为“孤立子”或“孤子( s o t i t o n ) ”。第一次把孤 子概念运用于通信的构思是在1 9 7 3 年，a h a s e g a w a 和f t a p p e r t 研究发现无损耗 光纤介质中的光场包络满足非线性薛定谔( n l s ) 方程，在反常色散区存在亮孤 子】，在正常色散区存在暗孤子0 2 。1 9 8 0 年，b e l l 实验室的科学家f m o l l e n a u e r 等人首次用实验证实了用人 ：方法可以在光纤中产生光孤子脉冲。1 9 8 1 年， h a s e g a w a 和k o d a m ap 8 j 提出采用光纤孤子作为信息载体进行信号传输的设想，从 而使人们看到了光孤子的应用前景，由此开始了光纤孤子通信研究的热潮。 2 2 光孤子通信 光孤子通信为非线性全光通信，是以光孤子作为信息载体，以光导纤维( 简 称光纤) 作为传输介质的一种先进通信技术，它是实现超长距离、超高码速通信 的重要手段，是一种具有巨大潜力的通信方式，被称为第五代光纤通信系统。 2 2 1 光孤子通信的特点 由麦克斯韦方程组可导出光脉冲复包络在光纤中的传输满足广义非线性薛定 谔方程【3 4 l ，而在无损光纤中，考虑群速度色散( g v d ) 和非线性自相位调制效应 重庆邮电学院硕士论文 ( s p m ) 的情况f ，光脉押在单模光纤中传输时，脉冲慢燹包络的复振幅彳( z ，f ) 满足 i ( 笔+ 屈静一了f 1 2 丽a 2 a 州2 删 ( 2 2 ) 式中，：为物理传输距离，f 为物理时间，届和厦反映了光纤的色散特性，反映 了光纤的非线性特性a 对方程( 2 2 1 ) 做归一化处理， “：4 - 瓦t a ，f ：华，孝：z l 。 ( 2 2 2 a ) 。爵三n l = 瓦1 一n 呜2 ( - o o = 乏 z m ， 式中，“( f ，f ) 为归一化脉冲包络复振幅，f 为归一化时间，善为归一化距离，异为 输入脉冲的初始峰值功率，瓦为脉冲的初始半宽度( 对s e t h 型脉冲， 瓦= b 1 7 6 ，瓦为半功率点全宽) ，n 2 为非线性k e r r 系数，o ) o 为脉冲中心 频率，c 为真空中的光速，a 够为有效纤芯截面面积。 色散长度k = 2i 和非线性长度l n l = 夕；毫给出了光脉冲沿光纤长上方 向演变的长度量，它说明在此过程中色散或非线性效应哪个更重要。在光纤的反 常色散区(