（电磁场与微波技术专业论文）光孤子通信系统中光孤子扰动效应与色散管理的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 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 统的容量已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 了利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，例如孤子问的相互作用、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，如群速度色散，高阶色敖效应，非 线性k e r r 效应，初始啁嗽效应等，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存在多种扰动效应 影响下的传输演化特性，以及色散管理孤子的基本传输特。并提出了相应的抑 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，初始啁啾，色散管理。 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s , w i t ht h er a p i dg 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 a 8 a v i c o sa n di n t e m e ts e r v i c e s , t h et 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 r c 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 do fc a ) n l m e r c oa p p l i c a t i e n s f u r t h e r m o r e t h e r ei sa l li 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 et h a tt h eo p t i c a lp u l s e sa r e s p r e a do u ta l o n gt h ef i b e rd u e t of i b e rd i s p e r s i o ni no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s 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 d t os o l v et h i sp r o b l e m 1 1 l e s 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 n b ec o m p r e s s e db y n 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 e a 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 sb r o u g h tf o r w a r d o p t i c a ls o l i t o n c o 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 oc 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 f2 0c e n t u r y8 0 s a n di ti sa l lo p t i m i z e ds c h e m e f o rn 跚h 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 f o p t i c a l s o l i t o n si st h e k e y o fo p t i c a l l i t o n s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h eb a s eo f a c c o m p l i s h i n gu l t r a h i g hs p e e da n du l t m i o n g d i s t a n c ea l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s t h e r ea 舱m a n yf a c t o r si n f l u e n c i n go p t i c a l s o l i t o mt r a n s m i s s i o n , s u c ha sf i b e r 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 r e f f e c ta n ds 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 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 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 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 ya n d i n i t i a lc h i r p e f f e c t , 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 ls o l i t o nc o m m u n i c a t i o n s a r ci n t r o d u c c 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 pf 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 r s e h r o d i n g e re q u a t i o nd e s c r i b i n g t h eo p t i c a ls n l i t o n st r a n s m i s s i o ni ss o l v e d n 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 fo p t i c a ls o l i t o n si no p t i c a l f i b e rw i t h o u tl o s sa n da n yp c m l 而a n dw i t hal o to fp e r t u r b sa r es i m u l a t e d , a n dt h e b a s i cp r o p a g a t i o no fd i s p e r s i o n - m a n a g e ds o l i t o n sa r es t u d i e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n g m e t h o d s w h i c hr e s t r a i nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o l i t o n sa r ep u tf o r w a r d k e y w o r & ：0 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 , i n i t i a lc h i r p , d i s p e r s i o nm a n a g e m e n t u 重庆邮电人学硕十论文 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。掘我所知，除了文中特别加以标江和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞邮电盔堂或其他教 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晚明并表示谢意。 学位论文作者签名：孝俊红 签字同期：2 口口6 年箩月1 8 同 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太堂 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。本人授权重麽鳗壹太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数掘库进行检索，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：本f 复缸导师签名：注衅 签字同期：2 占年箩月j 8f i 签字开期；2 - 。d 二年岁月c gr 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着人类社会信息传输量的日益增加，数据传输高速化、宽带化、多媒体业 务综合化趋势的日益临近，对通信系统的速率提出了越来越高的要求，光纤通信 以其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了现代通信 系统中最为重要的基础设施。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【l l ，到2 0 0 8 年，信息业务总容量将达到1 0 0 t b i t ，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 1 ，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 9 ( r c a m p l i f i c a t i o n ， m i m i n ga 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 ( 4 1 、m q w 锁模l d 【5 j 、锁模e d f 激 光器旧、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 0 b i t s s l 。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唧宽带实用 化的掺铒光纤放大器( e d f a ) 面世提供了光中继放大 1 0 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。 光孤子通信研究大致可以分为以下三个阶段1 1 ： 第一阶段( 1 9 7 3 1 9 8 3 )首先将光孤子应用于光通信的设想是由美国贝尔 实验室的a h a s e g a w a 于1 9 7 3 年提出的。他经过严格的数学推导，大胆地预言 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 了在光纤的负色散区可以观察到光孤子的存在，并率先开辟了这一领域的研究工 作。提出和演示了光孤子的传输，主要成就是研制成功了色心晶体孤子激光器和 色散位移光纤。 第二阶段( 1 9 8 4 1 9 9 3 )主要研究成果是：提出了平均孤子理论，发现了 g o r d o n - h a m 极限；研制成功了掺铒光纤放大器( e d f a e r - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ) 、 导频滤波器和滑频滤波器，为光孤子通信的实用化铺平了道路。 第三阶段( 1 9 9 4 至今)是光孤子通信走向实用化的阶段，主要解决了光 孤子通信所用元器件的实际问题( 例如可靠性、环境适应能力、成本和价格等) ， 并使在光孤子通信中使用的元器件逐步商品化。 目前，光纤通信系统传输速率的提高主要有提高单波长传输速率和加大 d w d m ( d i s e r e t ew a v ed i s v i s i o nm o d u l a t i o n ) 中信道数两种方式。由于光放大器带宽 和光纤低损耗通信窗口带宽的限制，d w d m 的信道数是有限的，因此提高单波 长传输速率又是进一步提高d w d m 系统传输速率的基础。在实验室中单信道码 速率已经提高到4 0 g b i t s 。当单信道码速率提高到4 0 g b i t s 以上时，由于光脉冲 和码间距都非常窄，光纤中色散及非线性效应的影响很大，对线性光纤通信系统 来说这是难以克服的。但是光孤子通信利用光纤非线性来抵消光纤色散效应，是 高速光传输系统中克服光纤色散和非线性影响的有效技术。光孤子通信作为一种 新颖的非线性全光长距离通信，以其通信容量大、适合长距离通信的独特优势被 越来越多的国家认可，是新一代高速长距离通信的优选方案，能够满足人们通信 容量日益增长的趋势。科学家们认为，本世纪初，全光通信将走向实用化，从而 掀起了人们对光孤子通信的研究热潮。 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、光孤子之间的相互作 用、k e r r 系数的扰动效应、群速度色散的扰动效应、初始啁啾以及拉曼散射等等。 实际制造出来的光纤并非理想光纤，由于制作工艺和掺杂等因素的影响，光 纤的k e r r 系数随传输距离而产生随机变化，对孤子间相互作用有很大影响。因 此研究k e r r 系数扰动效应和群速度色散扰动效应对光孤子传输的影响，为光孤 子通信逐步走向实用化有一定的意义。 实际的孤子传输系统，输入脉冲总是与理想脉冲( 双曲正割型、归一化幅度 为1 ) 有所差别，如波形偏离双曲正割型、含频率啁啾或光源噪声等。对初始频 率碉啾的已有研究表明【1 2 1 ，频率啁啾较小时，不论是上啁啾还是下啁啾，脉冲场 均可演化为孤子，但在孤子的形成过程中，由于尾部的色散，一部分能量将被耗 散掉。当频率啁啾超过某一临界值时，孤子无法形成。因此研究初始啁啾效应对 光孤子传输的影响就很有意义。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 现有通信线路铺设了大量的标准单模光纤( g 6 5 2 光纤) ，g 6 5 2 光纤在 1 5 5 0 r i m 波长附近色散较高( 约2 0 p s z k m ) ，为了在现已安装的光纤网中进行光 孤子通信，必须迸行色散补偿。在色散补偿系统中，传输孤子的振幅与脉宽都是 周期性变化的，即色散管理孤子。因此研究色散管理对早同实现光孤子通信有一 定的现实意义。 1 2 国内外光孤子通信的研究 早在1 9 7 3 年【1 3 】美国b e l l 实验室的科学家a h a s e g a w a 等人就在理论上预言 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 3 年1 1 4 】，b e l l 实验室的lf m o l l e n a u e r 等科学家首次研制成功了第一支色心锁模孤子激光器c c l ，首次利用 7 0 0 m 光纤观察到了脉宽为7 p s 的光孤子，从而揭开了实验研究的序幕。近年来， 随着半导体激光器和e d f a 在光孤子通信试验系统中的成功应用，拉开了光孤子 通信走向实用化的序幕。 1 2 1 国内光孤子通信的研究进展 在2 0 世纪8 0 年代，我国就对光孤子通信的基础理论方面进行了一系列研究， 并在光孤子传输演化特性分析、试验方案、系统设计等方面取得了显著的成果。 研究范围涉及到正色散区和反色散区的各种非线性光学现象；通过对修正非线性 薛定谔方程的研究，获得了多种形式的孤子解；发现了纵向非均匀光纤可抑制飞 秒级光孤子传输时的拉曼自频移效应；针对光纤孤子激光器输出孤子脉冲序列的 重复率比较低，研究了受激调制不稳定性在光纤中产生高重复率、高质量孤子脉 冲序列的问题等等。主要成果有： 1 1 9 9 4 年掺铒光纤放大器在武汉通过鉴定1 1 5 】 由武汉邮电科学研究院研制的掺铒光纤放大器( e d f a ) ，具有增益高、噪声 低、增益特性与光偏振状态无关以及可以忽略多路系统中的信道交叉串拢等优 点，达到了世界先进水平。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e d f a ，贝可以使2 4 8 8 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，大大降低了中继成本 2 项目“钾d m 光孤子通信关键技术研究”通过了国家验收 该项目成功地研制了增益开关激光器和2 5 g b i t s 的r z 脉冲光接收机，并在 以下各技术领域取得成功： 用色散补偿光纤( d c f ) 对光脉冲进行压缩； 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 采用2 5 2 0 g b i t s 的光信号复用； 从2 0 g b i f f s 的复用系统中提取2 5 g b i t s 电时钟； 采用非线性光学环路实现2 5 2 0 g b i t s 的解复用； 采用啁啾光栅对2 0 g b i t s 信号传输1 0 5 k m 后造成的色散进行补偿； 研制了2 5 g b i f f s 铌酸钾强度调制发送单元； 成功进行了2 0 g b i f f s 、1 0 5 l a - n 的光纤传输试验等等。 3 第一条国家干线建成 1 9 9 9 年1 月，我国第一条最高传输速率的国家一级干线( 济南一青岛) 8 x 2 5 g b i t s 密集波分复用( d w d m ) 系统建成，使一对光纤的通信容量又扩大 了8 倍。 4 课题 t b i t sd w d m 传输系统”通过专家验收 2 0 0 5 年4 月，国家“8 6 3 ”重大课题 t b i t sd w d m 传输系统”通过专家验收。 该项目在分布式拉曼放大、非线性效应抑制、精确色散管理、超强前向纠错 ( s f e c ) 、动态增益均衡等一系列关键技术上取得了突破，全面掌握了4 0 g d w d m 系统的核心技术。并取得了以下成果； 支持c + l 波段8 0 波的能力，单信道速率达到4 2 8 g ，总容量最大为 3 2 t b i t s ； 通道间隔为1 0 0 g h z ，光波长配置符合u - t 建议和国家标准； k 具有超强前向纠错功能，线路传输采用低成本的n r z 码； 具备s t m - 4 、s 1 m 1 6 、f e 和g e 等多业务接口； 首次采用n r z 码在实际的g - 6 5 5 光纤上实现8 0 0 k m 无电中继传输。 1 2 2 国外光孤子通信的研究进展 光孤子通信是实现超长距离高速通信的重要手段，它被认为是第五代光纤通 信系统。人们对光孤子通信的研究一直没有停止，特别是1 9 9 5 年引出色散管理 孤子概念后，人们有可能利用现有的光纤网实现光孤子通信，更促进了人们对光 孤子通信研究的兴趣，近年来许多国家相继进行了光孤子通信实验。其研究主要 在以下几方面进行： 1 进行光孤子通信的现场实验 瑞典c h a l m e r s 技术大学i - i m m y d 等人1 1 6 1 利用j o n k o p i n g 光通信网，进行了单 信道8 0 g b i t s 光孤子传输，长度为1 7 2 k m 。他们利用光纤环锁模激光器产生脉宽 为4 5 p s 的光脉冲，然后利用伪随机码通过l i n b 0 3 强度调制器进行调制，通过 时分与偏振复用形成8 0 g b i f f s 的光孤子，在色散位移光纤中传输。 意大利m a t e r a 等人1 1 6 1 利用从r o m e 到p o m e z i a 通信干线的色散位移光纤进 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 行了4 0 g b i t s 单信道光孤子通信，在没有任何在线控制的情况下，无误码传送达 5 0 0 k i n 。但是由于实地网中光纤的偏振模色散较大，对传输距离带来了影响，没 有达到实验室7 0 0 k m 的水平。 日本n t t 【16 】利用东京都市光纤网( 该光纤网利用色散位移光纤组成) 进行 了4 0 g b i t s 光孤子通信实验，为了获得较小的平均色散，采用了色散补偿技术， 实现了5 p s 孤子无误码传输距离超过1 0 0 0 k m 。实验安排在m i t o 、u t s u n o m l y a 、 s a n o 和m a e b a s h i4 个城镇之间，它们间距分别为7 0 k m 、5 0 k m 和5 0 k m 。孤子发 射器、接受器都安排在m i 协，实验利用6 条线来回传输，在没有用在线孤子控 制的情况下，使传输距离达到1 0 2 0 k m 。 以上几个光孤子传输实验，都是利用已安装的色散位移光纤，虽然在日本 n t t 的实验中利用了色散补偿，但补偿量是比较小的。人们采用理论分析与实 验结合进行了各种补偿方法研究，包括前补偿与后补偿、过补偿与欠补偿、长补 偿与短补偿等，并研究预调瞅对孤子传输的影响以及各种调制对孤子稳定传输的 影响。 2 色散管理孤子传输特性的研究 光孤子通信走向实用最有吸引力的是在普通单模光纤上进行色散补偿，以实 现准孤子即色散管理孤子的传输。 近年来，色散管理( d m ：d i s p e r s i o n m a n a g e m e n t ) 技术的出现，大大克服了 传统光孤子传输系统中的主要问题，并简化了系统，使其向实用化又向前迈进了 一大步。色散管理和孤子技术的结合，突破了以往孤子只在长距离传输上具有优 势，继而向高速、中长距离方向发展。日本在高速孤子通信系统和基础研究方面 进行了大量的理论和实验研究工作。k d dr & d 实验室【i6 l 成功地研制了电吸收外 调制器光孤子源，最大重复频率可达2 0 g h z ，并成功地进行了8 x 2 0 g b i f f s 及 4 0 g b i t s 长距离光孤子传输实验。作为欧盟a c t s 项目的重要部分，m d a s 【1 3 l 在瑞典己成功进行了4 0 g b i f f s 单一波长的孤子实验。在美国，马里兰大学与b e l l 实验室合作，进行了超长距离的孤子传输。 3 光孤子波分复用系统的研究 与线性通信系统一样，进一步增加非线性通信系统码速率的最有效方法是波 分复用( w d m ：例ed i s v i s i o nm o d u l a t i o n ) ，在光孤子通信的研究中，人们在 增加单信道码速率研究的同时也进行了孤子波分复用研究由于光孤子碰撞的稳 定性，适合在w d m 系统中使用。研究情况如下： 日本n t t ，n a k a z a w a 等人1 1 刀利用在线同步调制，进行1 6 0 g b i t s w d m ( 2 0 g b i t s x 8 信道) 孤子信号传输距离超过1 0 5 k m 。而后它们又进行了6 4 0 g b i f f s ( 4 0 g b i t s x l 6 信道) d w d m 孤子传输实验。采用常规单模光纤和色散补偿光纤 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 组成环路，放大器间隔为5 0 k i n ，在误码率低于l 旷情况下传输了1 0 0 0 k m 。 另外法国g u c n 等人【1 6 1 也进行了6 4 0 g b w s d w d m 传输实验，他们也利用单 模光纤加色散补偿光纤采用2 0 g b i t s x 3 2 信道，信道问隔为o 4 r i m ，在误码率低 于1 0 9 情况下成功传输了1 2 0 0 k m 。他们还进步进行了1 0 2 t b i t s ( 5 1 x 2 0 g b i t s ) 孤子的d w d m 传输实验，放大器间距为1 0 0 k m ，传送距离达到1 0 0 0 k m 。 2 0 0 3 年底，国际电联i t u 发布的4 0 g 传输标准比旧的1 0 g 传输速率大大提 高了传输容量，并使现有传输成本降低4 0 以上，这将给设备厂商，运营商乃至 最终用户带来更大的利益。 西门子公司目前正在与德国电信进行4 0 g b i t s 系统的现场试验。德国电信 2 0 0 5 年初将可能采用c i s c o 的新一代妒交换机，因此有安装4 0 g b i t s 系统的需 求。西门子公司的4 0 g b i v s 设备可支持8 0 个波长，传送5 0 0 k i n 。 目前国际上很多厂商都推出了1 6 t b i t ，s 的d w d m 商用系统，世界各国的研 究机构和设备制造商都在积极研制开发超高速d w d m 系统。 1 3 光孤子通信的发展前景 光孤子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 质的一种先进的通信手段。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。光孤子在传输过程中其形状和速度都保持不变的特 点决定了它在通信领域中广阔的应用前景。 ( 1 ) 在传输速度方面采用超长距离的高速通信，时域和频域的超短脉冲控制 技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率1 0 2 0 g b i f f s 提高到1 0 0 0 b i t s 甚 至n i t ，s 以上； ( 2 ) 在增大传输距离方面采用重定时，整形，再生技术和减少放大器自发辐 射噪声，光学滤波使传输距离提高到l o h , m 以上； ( 3 ) 在高性能e d f a 方面是获得低噪声高输出e d f a 。 目前大多数光通信专家都认为色散管理光孤子技术是下一代超长距离通信 系统的一种优选技术，d w d m o t d m 系统已成为未来高速、大容量光纤通信系 统的一种发展趋势，两者的适当结合被认为是实现髓“s 以上传输的最佳方式。 光孤子通信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。现有的孤 子通信技术已逐步趋于成熟，孤子( 非线性r z 脉冲) 通信系统i t u 标准建议的 提出，1 6 t b i t s 的d w d m 商用系统的推出，都已充分显示光孤子的大规模商用 已为期不远了 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 。4 论文结构 本文共分五章，各章的内容安排如下； 第一章叙述了光孤子通信的研究背景、意义及现状，阐明了研究光孤子通信 系统中光孤子的扰动效应与色散管理具有十分重要的理论意义。 第二章介绍了光孤子通信的基本概念和基本特性，主要分析了光孤子的色散 特性，非线性特性、初始啁啾效应以及解决非线性薛定谔方程的分步傅立叶数值 方法。 第三章对光孤子通信中三阶色散效应，k e r r 系数和群速度色散的随机扰动效 应以及初始啁啾效应对光孤子传输特性的影响进行了分析，对光孤子的传输规律 进行了详细地理论推导，得出了数学模型，并对孤子的传输特性进行了仿真。 第四章在介绍了色散管理孤子的基本概念之后，着重研究色散管理孤子的基 本特性以及三阶色散效应影响下色散管理孤子的传输特性。 第五章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章光孤子通信中的基本概念 第二章光孤子通信中的基本概念 2 1 光孤子与光孤子通信 2 1 1 孤立子与光孤子 孤子是2 0 世纪非线性科学领域的一项重要发现。孤子，又称孤立子，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。其起源可追溯到1 8 3 4 年英国海 军工程师j s r u s s e l l 观察到的河面隆起的水峰的保形运动，1 8 4 4 年9 月英国科 学促进会第1 4 次会议上他所作的报掣1 8 1 中是这样描述的，这种奇特的水波“平 滑而轮廓分明”，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 ) ”，从而 揭开了人类对自然界中大量存在的色散非线性或耗散非线性系统研究的帷幕。 在随后的1 8 9 5 年，荷兰数学家k o r t e w e g 和d ev r i e s 1 9 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 t l 9 l 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 l i t o n ) ”。但是，今天人 们所广泛谈论的光孤子，是一种经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。其 概念产生于1 9 7 3 年，当时h a s e g a w a 进入贝尔实验室研究光纤通信理论，在解 决由光纤色散引起的光波通信的问题中，借助非线性效应，认证了光纤中非线 性包络波与电子回旋波间的相似性，建立了描述光纤中包络波的非线性薛定谔 方程，并与t a p p e r t 一起从理论上证明，任何无损耗光纤中的光脉冲在传输过程 中形交为孤子后稳定传输，并从理论上揭示了光纤中光孤子的形成机制与传输 演化规律，表明在反常色散区存在亮孤子f 2 0 】，在正常色散区存在暗孤子1 2 ，这 一发现使得人们将光孤子作为一种信息载体用于高速通信。1 9 8 0 年，b e l l 实验 室的科学家f m 0 1 1 0 l a u e t l 2 2 1 等人首次用人工方法观察了光纤中孤子的形成机制 与演化规律，从而从实验上证实了光孤子确实是存在的，这是孤子概念与理论 研究的一个新的里程碑。1 9 8 1 年，h a s e g a w a 和k o d a m a 2 3 1 提出采用光纤孤子作 为信息载体进行长距离传输的设想，并于1 9 8 9 年实现了6 0 0 0 k i n 孤子稳定传输， 从而使人们看到了光孤子的应用前景，由此开始了