（电磁场与微波技术专业论文）非线性介质中光孤子的传输特性及其应用研究孤子色散管理传输特性及其应用研究.pdf

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查g 电太堂或 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说明并表示谢意。 学位论文作者签名：万鹏 签字日期：肋矿年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重迭由电太堂有关保留、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 重庞鱼皇态堂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：万鹂 签字同期： 卯锣年易月j 同 重庆邮电人学硕士论文摘要 摘要 随着人类社会的发展，信息传输量日益增加，互联网业务的迅猛扩展，人 们对通信系统的传输速率的要求越来越高，传统的电缆通信系统显然已经远远 跟不上形势的需要，传输速率更高的光通信系统正成为人们研究的热点。但是 传统光纤通信系统本身也存在很大的缺陷，就是当传输速率很高时，光纤中的 色散以及非线性效应对光脉冲传输的影响就变的相当大，它们使光脉冲沿光纤 传输方向被迅速展宽，对于目前的线性光纤通信系统来说，这是尚未解决的问 题，因此迫切需要找到一种切实可行的方法。通过对非线性光纤光学的研究而 提出的光孤子通信可以在选择合适的条件下，巧妙地利用非线性效应来抵消光 纤色散效应的不利影响，它能够使光脉冲在光纤反常色散区中传输时被压窄， 是一种能克服光纤色散和非线性的负面影响的有效技术，所以人们认为光孤子 通信是新一代的高速长距离通信方式。 光孤子如何在光纤通信系统中平稳地传输是光孤子通信系统的核心问题， 也是实现超高速、超长距离全光通信的基础。在实际的光通信系统中，影响光 孤子传输的因素很多，例如光纤的损耗、放大器的自发辐射( a s e ) 噪声、光孤子 之间的相互作用、非线性的影响、群速度色散的扰动效应、初始啁啾等都可以 干扰光孤子的正常传输。因此研究光孤子在非线性光纤介质中的传输特性以及 如何避免不利因素的影响就显得非常重要。 考虑到光纤有多种的线性和非线性效应，如群速度色散，高阶色散效应， 非线性效应，初始啁啾效应等，本文首先介绍了光孤子通信的历史，然后运用 对称分步f o 谢e r 方法对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 方程进 行数值求解。通过仿真模拟了皮秒孤子在色散管理光纤通信系统中的传输演化 特性以及在常规光纤通信系统中传输的可行性，指出了光纤损耗对孤子传输的 巨大影响，详细地解释了色散补偿方式和它的优越性，在此基础上接着分析了 引进初始啁啾效应后对色散管理孤子传输的影响，最后介绍了飞秒孤子的优点 并对它在色散管理系统中的传输情况进行了探讨。 关键词：光孤子，非线性效应，初始啁啾，飞秒孤子，色散管理。 重庆邮电大学硕士 n o w a d a y s ，w i 廿lt h er a p i dg r o 、i n go fh u m a ns o c i e t y ，e s p e c i a l l yd a t as e r v i c e s a n di n t e m e ts e r v i c e s i n c r e a s i n g ， t h et r a n s m i s s i o n c a p a c 时 o ft r a d i t i o n a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sn o tm e tt h ed e m a n do fc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n sa n d 也e o p t i c a l f i b e rc o m m u m c a t i o ns y s t e m sc o m et of o c u s f u r t h e m o r e ，t h e r ei sa 1 1 i n t r i n s i cp r o m i n e n td i s a d v a j l t a g et 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 r i l u et 0f 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 ns y s t e m sw i t hh i g hc o d er a t e t h e r e f o r e ，i ti se x i g e n tt o6 n daf e a s i b l em e t l l o dt os o l v et 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 r矗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 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 san o n l i n e a u re 毹c t ，i nt h ea r l o m a l o u s d 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 am a tt 1 1 en o n l i n e a rs e l f - p h a s em o d u l a t i o n e a e c ti su s e dt 0c o u n t e r a c tt h ef i b e rd i s p e r s i o ne 行- e c ti sp u tf o n v a r ds k i l l 如l l y ，a n d m 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 n ) 州 o p t i c a j s o l i t o n c o m m u n i c a t i o ni s 锄o p t i m i z e ds c h e m ef o rn e wh i 曲s p e e da n dl o n gd i s t a n c e c o m m u i l i c a t i o n s t h et m 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 nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa n dt l l e b a s eo fa c c o m p l i s h i n gu 1 仃a j l i 曲s p e e da 1 1 du l t r a l o n gd i s t a l l c e a 1 1 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 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 m s m i s s i o i l ，s u c h 弱f i b e r l 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 曲e ro r d e re 丑e c t 锄ds t o c h a s t i cv a r i e t ) ，o fp 甜a m e t e r sa i l ds oo n s oi ti sv e 巧i m p o r t a n tt os t u d ym e 仃a j l 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 胁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 n 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 羊- e c t sl i k e 口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 ，n o n l i n e a r i t ya n di n i t i a lc h i r p e 丑、e c t ，f i r s t l yt 1 1 eb a l 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 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 pf o u r i e rm e t h o d ，n o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e r e q u a t i o nd e s c r i b i n gt l l eo p t i c a l s o l i t o n s 仃a j l s m i s s i o ni ss o l v e dn 啪e r i c a l l y t h e p i c o s e c o n d s o l i t o n p u l s e s 打a n s m i s s i o ni nt h ed i s p e r s i o n m a n a g e ds y s t e mi s s i m u l a t e da n di t sp o s s i b i l i t yo ft r a n s m i t t i n gi nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mm a d eu po f c o n v e n t i o n a l o p t i c a lf i b e r s i sa l s os t u d i e d a tt h es 锄et i m e ，t 1 1 et r e m e n d o u s i m p a c tc a u s e db yt h el o s so fo p t i c a ln b e ro nt h es o l i t o n s 缸a n s m i s s i o ni si n d i c a t e d t h et y p eo fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n di t ss u p e r i o r i 够 a r ei n t e r p r e t e d 。 f u r t h e 衄o r e ，t h ei n t e m c t i o no ft h es o l i t o n sw i t hi n i t i a lc h i 印i sa n a l y z e dw h e nt h e y a r et r a n s m i t t i n gi nd i s p e r s i o n m a n a g e ds y s t e m s f i n a l l y ，t h ea d v a n t a g e so ft h e f i e m t o s e c o n ds o l i t o na n di t se v o l u t i o n p r o p e r t i e s i nt h e d i s p e r s i o n - m a n a g e d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa u r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：o p t i c a ls o l i t o n ，n o n l i n e a re f f e c t s ，f e m t o s e c o n d ss o l i t o n ，d i s p e r s i o nm a n a g e m e n t 重庆邮电入学硕七论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 目录。i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及其意义。l 1 2 国内外光孤子通信的研究4 1 2 1 国外光孤子通信的研究进展4 1 2 2 国内光孤子通信的研究进展。6 1 3 光孤子通信的未来。7 1 - 3 论文结构8 第二章光孤子通信简介9 2 1 光孤子与光孤子通信9 2 1 1 光孤子理论基础9 2 1 1 光孤子通信特点1 0 2 2 光纤的线性特性1 2 2 2 2 光纤损耗1 2 2 2 2 光纤色散1 3 2 3 光纤的非线性特性1 5 2 4 初始啁啾效应1 6 2 5 分步傅立叶数值方法1 7 2 6 色散管理孤子理论基础19 2 6 1 色散管理孤子的概念2 0 2 6 2 色散管理孤子的优点2 1 第三章皮秒色散管理光孤子通信系统的传输特性分析2 3 重 3 3 1 理论模型与数值方法一3 0 3 3 3 色散位移光纤中孤子的传输特性仿真3 2 3 3 3 结论与过程分析3 5 3 4 初始啁啾效应对色散管理孤子传输的影响3 6 3 4 1 理论模型与数值方法3 6 3 4 2 初始啁啾孤子的传输特性仿真3 7 3 4 3 结论与过程分析3 9 3 5 本章小结3 9 第四章飞秒孤子在色散管理系统中的传输特性研究4 2 4 1 引言4 2 4 2 飞秒孤子脉冲的传输方程4 2 4 3 飞秒孤子在色散管理系统中的传输特性4 4 4 4 本章小结4 7 第五章结论及未来的工作4 8 5 1 结论4 8 5 2 未来的工作4 9 致谢51 参考文献5 6 攻读硕士学位期间从事的科研工作5 7 i v 重庆邮电大学硕士 1 1 课题研究背景及其意义 随着科学技术的不断进步和人类社会经济的蓬勃发展，人们物质和精神生活 水平的提高与通信技术的发展联系更加紧密，信息的传输量日益增加，人们也对 通信系统的传输容量、通信可靠性、传输距离和传输速率提出了越来越高的要求。 光纤通信利用了光纤巨大的带宽资源和相对低廉的制造成本，可以进行长距离大 容量和高速度的通信，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。而建设可靠、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。然而从光纤通信概念提出并进行商业化运作的二十几年以来，人们 实际敷设的光纤通信系统存在着下面三个主要问题2 】： ( 1 ) 现有的通信系统属于线性通信系统，即要使光纤工作在线性状态。当输 入功率比较高，使光纤工作在非线性状态时，将会产生受激拉曼散射( s r s ) ，受 激布里渊散射( s b s ) ，四波混频( f w m ) 等各种非线性效应，从而在相当程度对信 号光脉冲的传输造成干扰，所以人们不得不降低传输光脉冲的功率。这样系统中 继距离的提高就在很大程度上受到了限制，同时对光中继器和光检测器的灵敏度 要求也非常高。 ( 2 ) 实际中用任何材料制造的光纤都存在着一定的损耗，光纤损耗使得光脉 冲的幅度在传输过程中不断衰减，是限制信号脉冲无中继传输距离的另一个主要 因素。而为了延长通信距离，人们又不得不在传输线路上设置结构非常复杂的“光 一电一光 混合中继器，其中的电光转换器件对码率产生的瓶颈效应是限制通信 容量的一个重要因素。 ( 3 ) 任何光纤都存在着色散效应，色散造成了脉冲在传输中的展宽和变形， 使得码间串扰增大，是限制通信系统中传输速率的最主要因素。纵观整个光通信 历程，& d ，光纤通信系统从最初的0 8 5 朋多模光纤通信系统到1 3 1 朋的零色散 单模光纤通信系统，再到1 5 朋的最低损耗单模光纤系统，最后到1 5 5 朋低色散 低损耗光纤系统的发展过程，j 下是人们努力降低或克服损耗以及色散对光通信系 统传输速率限制的过程。虽然目前在1 5 5 朋波长上，光纤的损耗已经降低到 o 2 柏砌，几乎已经接近于理论极限值0 1 如砌，光纤的色散参数也由于制造 工艺的提高而降低到o 1 0 3 筇，2 聊枷左右，然而光纤的色散仍然是限制光纤 通信系统性能继续提高的主要障碍。 传统光纤通信系统的性能主要用传输距离( 砌) 的平方根和传输速率 l 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 尺( g 6 豇s ) 的乘积来衡量。例如对于目前性能较为优越的单纵模激光光纤通信系 统，其性能的色散极限可用 r 厄下竺丝 2 而+ 2 口旯d 来描述【3 ，4 1 ，式中旯( ，2 聊) 和口分别代表激光的波长及线宽增强因子， d ( 筇，2 肌砌) 为光纤的色散参数。若取光通信系统的总传输距离为三= 1 0 0 0 砌， 并且在链路上每隔几十公里距离插入一只光纤放大器以补偿光纤损耗引起的脉 冲能量损失，同时假设口= 4 ， 兄= 1 5 5 0 刀m ， d = 0 2 芦，2 朋加， 则 尺7 7 5 g 6 打j 。由此可见，如果不采用色散补偿等其他附加措施，即使在最先 进的全光中继线性光纤通信系统中，要想实现1 0 g 6 f f s 信号脉冲1 0 0 0 加以上的 传输几乎是不可能的，单信道通信容量总是受限于色散的限制。目前，光纤通信 系统传输速率的提高主要采用d w d m ( d i s c r e t e 、v a v ed i s v i s i o nm o d u l a t i o n ) 方式， 由于光放大器的带宽和光纤低损耗通信窗口的带宽的限制，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。 由于超高速光脉冲的宽度和码元之间的距离都非常窄，光纤中的色散以及非线性 效应的影响就不能忽略，成为必须考虑的因素。而在实验室中单信道的传输速率 已经很难继续提高，对于目前的线性光纤通信系统来说这是难以克服的问题，所 以迫切需要找到另一种可行的方法，光孤子通信正是在这样的条件下进入人们视 野的。 光孤子通信是一种新颖的非线性全光长距离通信方式，是新一代高速长距离 通信的优选方案，它利用在选取合适参数的条件下，高强度光脉冲在光纤中产生 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。 在这种系统中，光纤材料的非线性效应对脉冲的稳定传输却是有利的。这样这种 通信方式完全摆脱了光纤色散对脉冲信号传输造成的不利影响，是一种全新的高 速长距离通信技术，其主要优点有： ( 1 ) 光孤子通信系统最大的优点是它具有极强的信号传输能力，传输速率也 非常高，据目前最新的理论研究，传输速率可在目前最先进的常规线性光纤通信 系统的基础上再提高l 2 个数量级甚至更高。 ( 2 ) 实际孤子的传输波形和幅度与精确孤子仅有微小偏离，在色散管理系统 中，即使信号孤子脉冲中有微量的初始啁啾和相位噪声存在，孤子传输特性也只 是略有改变，抗干扰能力大大增强，从这层意义上来说，孤子脉冲是一种比较稳 定的信息载体。 ( 3 ) 在同一载频的信道中，只要孤子脉冲之间的间隔足够大，孤子就可以几 乎无干扰地自由传输，码间干扰微乎其微，对传输条件的要求与线性光通信系统 2 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 相比要宽松很多。 ( 4 ) 由于光孤子脉冲所含的能量比较大( 每个脉冲约含1 0 6 个光子) ，因而系 统中几乎不存在因光子统计效应而产生的误码率，同时因为信号功率比较大，对 接收机的探测灵敏度要求就降低了，还可以提高系统的响应速度。另外脉冲能量 大还使得系统极易分支而构成网络。 ( 5 ) 在光孤子通信系统中，光纤损耗也会使脉冲能量发生衰减，但是解决方 法相对来说要简单的多，只需适当配置系统参数就可以保证孤子脉冲波形及脉宽 基本不变。例如在光纤链路上每隔一定距离插入一全光放大器( 掺铒光纤放大器 等) 来补充光纤损耗，就可以实现脉冲的长距离稳定传输。因为在这种全光孤子 通信系统中避免了“光一电一光”混合中继器的使用，不但避免了由于使用电子 器件而造成的瓶颈效应，还使得系统变的简单而经济。 由于光孤子通信有着诸多的优点，从光孤子概念提出以后就引起了人们的巨 大兴趣，并对它进行了广泛研究，发展过程大致可以分为以下三个阶段【5 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 l 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。提出并实现了光孤子在实际光通信系统中的传输，他的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 u s 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 舶e r 锄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) ， 并使光孤子通信所用的光电器件逐步商品化以及如何建设比较实用的色散管理 系统。此外，光孤子通信系统是采用全光纤系统还是继续采用半导体激光器和 e d f a 组合的系统，这要由成本来决定。 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非常多，例如光纤损耗、放大器的自发辐射 噪声、光孤子之间的相互作用、高阶色散的扰动效应、群速度色散的扰动效应等 等，所以必须对它们进行研究，其中光纤损耗始终是影响孤子传输的重要问题， 也是人们一直研究的问题，因为它能直接降低光脉冲的功率，使光脉冲的峰值迅 速衰减直至无法正常传输。 在实际的光通信系统中，由于激光器产生的电流等因素的干扰，输入脉冲总 是与理想脉冲( 双曲j 下割形、归一化幅度为1 ) 有所差别，如波形偏离双曲正割 重庆邮电火学硕士论文第一章绪论 形、含频率啁啾或光源噪声等，这些就称之为初始频率啁啾。对初始频率啁啾的 已有研究表明【6 1 ，当频率啁啾较小时，不论是上啁啾还是下啁啾，光脉冲均可在 传输一定距离后逐步演化为孤子，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，所以光功率会降低。当频率啁啾超过某一临界值时，孤子 就无法形成，也就谈不上进行稳定的光通信，因此研究初始啁啾效应对光孤子传 输的影响是很有必要的。 现有的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 衄波长附近的色散比较高( 约2 0p s 2 l ( 1 1 1 ) ，为了在现己安装的光纤网中进 行光孤子通信，必须对系统进行色散补偿。在色散补偿系统中，传输的孤子的振 幅与脉宽都是周期性变化的，即为色散管理孤子，因此研究色散管理对早日实现 光孤子通信有一定的现实意义。 飞秒孤子是光通信的最新研究热点，和皮秒孤子相比，飞秒光孤子具有更高 的峰值功率，更宽的光谱特性和更窄的脉宽等诸多优点。由于飞秒孤子的高功率 特性使得孤子传输的距离更远，从而减少了所需光纤放大器的数量；宽光谱特性 有利于系统更好地利用带宽，从而提高了通信质量：而它的窄脉宽特性则大大增 加了信道容量，提高了通信的速率，因而人们对它产生了浓厚的兴趣，我们也将 对它的传输特性进行相应的研究。 1 2 国内外光孤子通信的研究 1 2 1 国外光孤子通信的研究进展 早在1 9 7 3 年【7 】美国b e l l 实验室的科学家a h 2 l 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，但是由于当时没有参数合适的光纤及相应 的激光源，使得这一理论长期没被证实。直到1 9 8 3 年【引，b e u 实验室的l f 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 长度为7 0 0 m 的光纤进行了实验并观察到了脉宽为7 p s 的光孤子，从而揭开了光 孤子通信实验研究的序幕。 在1 9 8 9 年长距离的光孤子传输系统实现以后，由于g o r d o n h a u s 效应等一 系列在当时难以解决的问题出现，光孤子通信系统的实用化发展进程受到了阻 碍。但是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 孤子的概念以后，人们有可能利用现有的光纤网络来实现光孤子通信，更促进了 人们对光孤子通信系统研究的兴趣，近年来许多国家都建设了相关设施，利用现 有光网络进行了光孤子通信实验。其研究主要有以下几方面一j ： 4 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 1 现场进行光孤子通信实验 瑞典c h a 】m e r s 技术大学h a n s r y d 等人利用j o m ( o p i n g 光通信网，进行了单信 道速率为8 0 g b i t s 的光孤子传输实验，传输距离为1 7 2 l ( i n 。他们利用光纤环锁模 激光器产生接近变换极限的脉宽为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成传输速率为8 0 g b i t s 的光 孤子，在色散位移光纤中进行了比较成功的传输。 意大利m a t e r a 等人利用从r o m e 到p o m e z i a 通信干线的色散位移光纤进行 了4 0 g b i t s 单信道光孤子通信实验，在没有任何人工在线控制的情况下，无误码 传送距离达5 0 0 k m 。但是由于本地网中光纤的偏振模色散比较大，对传输距离带 来了一定影响，没有达到实验室中7 0 0 l 的水平。 日本n t t 利用东京的都市光纤网络( 该光纤网由先进的色散位移光纤组成) 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，光纤线路采用了色 散补偿技术，取得了5 p s 孤子无误码传输距离超过l0 0 0 k m 的良好成绩。实验安 排在m i t 0 、u t s u l l o m l y a 、s a n o 和m a e b a s l l i4 个城镇之间，它们的间距分别为7 0 l ( n l 、 5 0 k m 和5 0 l ( n l 。孤子发射器、接受器都安排在m i t o ，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，使传输距离达到了1 0 2 0 l m l ，而利用在线同步 调制时传输距离可达到1 3 6 0 l ( n l 。 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，但总体的补偿量是比较小的。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，并正在研究预啁啾对孤子传输的影响以及各种调制方式对孤 子稳定传输的影响。 2 对色散管理孤子的传输特性进行实际研究 近年来，色散管理( d m ：d i s p e r s i o nm a n a g e m e n t ) 技术的出现，基本克服了 传统光孤子传输系统中存在的各种疑难问题，并简化了系统设备，使其向实用化 又向前迈进了一大步。色散管理技术和孤子通信的结合，突破了以往光孤子只在 长距离传输上具有优势的局限，开始向高速、中长距离通信方向发展。日本在高 速孤子通信系统基础研究方面进行了大量的理论和实验研究工作。l dr & d 实 验室也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 2 0 g b i t s 以及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 i d a s 在瑞典同时进行了4 0 g b i t s 单一波长的现场孤子通信 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， 也取得了预料的效果。 3 开发光孤子波分复用系统 重庆邮电火学硕士论文第一章绪论 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的方法就 是波分复用技术( w d m ：w a v 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， 人们在对增加单信道码速率进行研究的同时也进行了孤子波分复用的研究。由于 光孤子具有碰撞稳定性，它很适合在w d m 系统中使用。 日本n t t ，n a l ( a z a w a 等人利用在线同步调制，进行了传输速率为1 6 0 g b i t s 的w d m ( 2 0 g b i t s 8 信道) 孤子信号传输，传输距离超过l 0 0 0 0 l a n l 。而后他们 又进行了传输速率为6 4 0 g b i t s ( 4 0 g b i t s 1 6 信道) 的d w d m 孤子传输实验， 通过采用常规单模光纤和色散补偿光纤组成了一个环路，其中放大器间隔大约为 5 0 k m ，孤子在误码率低于1 0 母的情况下成功传输了1 0 0 0 l 。 另外法国g u e n 等人也进行了6 4 0 g b i t 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组成了2 0 g b i t s 3 2 的传输网络，信道间隔为0 4 m ，在误 码率低于1 0 母情况下成功传输了1 2 0 0 k m 。他们还进一步进行了 1 0 2 t b i t s ( 5 1 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 l ( i l l ，传送总 距离达到了1 0 0 0 l 锄。 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也都在积极研制开发超高速d w d m 系统。 1 2 2 国内光孤子通信的研究进展 从2 0 世纪8 0 年代起，我国科研人员就从光孤子通信的基础理论及实用化可 行性等很多方面进行了比较深入的研究，并在光孤子传输演化特性分析、光孤子 实际传输试验方案、系统设计等方面都取得了显著的成就。研究范围涉及到了正 色散区和负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 时产生的拉曼自频移效应；针对光纤孤子激光器输出孤子脉冲序列的重复率比较 低，研究了由于受激调制不稳定性而在光纤中产生高重复率、高质量孤子脉冲序 列的问题等等。在实际应用方面主要有以下成果： 1 1 9 9 4 年掺铒光纤放大器在武汉通过鉴定【l l j 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。在光网络的发送端加后置式掺铒光纤放大器，在接收 端加低噪声前置掺铒光纤放大器，则可以使2 4 8 8 g b i t s 的光通信系统具有跨越 1 0 0 2 5 0 l 无中继距离的能力，大大降低了中继成本。 2 项目“o t d m 光孤子通信关键技术研究通过了国家验收 该项目成功地研制出了增益开关激光器和2 5 g b i t s 的l 屹脉冲光接收机，并 6 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 在以下各技术领域取得了成功： 用色散补偿光纤( d c f ) 对光脉冲进行压缩； 采用光栅对2 0 g b i t s 信号传输1 0 5 k m 后进行色散补偿； 研制了2 5 g b i t s 铌酸钾强度调制发送单元； 成功进行了2 0 g b i t s 、10 5 k m 的光纤传输试验等等。 3 第一条国家级光通信干线建成 1 9 9 9 年1 月，我国第条最高传输速率的国家一级干线：济南一青岛 8 2 5 g b i t s 密集波分复用( d w d m ) 系统的建成，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“n 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d w d m 系 统的核心技术，并取得了相当重要的成果，为高速光通信系统的实用化打下了基 础。 1 3 光孤子通信的未来 光孤子通信是实现超长距离、超高传输速率通信的重要手段，被称为第五代 光纤通信系统。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 通信领域中有着广阔的应用前景，未来光孤子通信的主要目标是： ( 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l o 2 0 g b i t s 提高到1 0 0 g b i t s 甚 至t b i t s 以上： ( 2 ) 在增大传输距离方面采用重定时，整形，再生等技术，减少放大器的自 发辐射噪声，并通过光学滤波使传输距离提高到1 0 5 1 a n 以上； ( 3 ) 在高性能光放大器方面是获得低噪声高输出e d f a ，进一步延长中继距 离，简化系统装置。 目前大多数光通信专家都认为引入了色散管理的光孤子通信技术是下一代 超长距离通信系统的首选技术，而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t b i 讹以上传输速 率的最佳方式。 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 1 3 论文结构 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章叙述了光纤通信的发展和研究现状，分析了光通信所面临的色散和非 线性的问题以及光孤子通信优点。说明对光孤子的扰动效应与色散管理的研究具 有十分重要的理论价值。 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非线性薛定谔方程的分步傅立叶数值方 法。 第三章对介绍了色散管理孤子的基本概念之后，研究了皮秒孤子色散管理传 输及其在常规光纤通信系统中传输的可行性，对皮秒光孤子的传输规律进行详细 的理论推导，得出数学模型，对孤子的传输过程进行了仿真，并和传统光通信系 统做了比较。其中着重研究了色散管理孤子的基本特性，两种色散补偿方式和引 入初始啁啾效应后对色散管理孤子传输特性的影响，并从多方面系统地进行了分 析。 第四章主要对飞秒孤子的优点进行了比较全面的介绍并初步探讨了飞秒孤 子在传统光通信系统和色散管理系统中进行传输的可能性，通过实验得出了在选 取合适的条件下，飞秒孤子可以在色散管理系统中进行正常传输的结论，说明了 利用飞秒孤子构建超高速光通信系统是可能的。 第五章总结了本文所做的工作，并进一步探讨了未来光孤子通信的相关研究 方向和重点。 8 2 1 光孤子与光孤子通信 2 1 1 光孤子理论基础 孤子是一种特殊的脉冲，也可以认为是经过长距离传输后其形状和速度都 保持不变的波。1 9 6 5 年，美国b e n 实验室的物理学家n z a b u s k y 和数学家m d k m s k a l 【1 2 】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， 除相位有所改变外，其形状、幅度和速度仍然可以保持不变，并遵循动量和能 量守恒定律，有类似于粒子的特性，故被称为“孤立子”或“孤子( s 0 1 i t o n ) ”。光 孤子，是指一种能在光纤中经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲，它的产 生是光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散( g v d ：g r o u pv e l o c i t y d i s p e r s i o n ) 和自相位调制( s p m ：s e l f p h a s em o d u l a t i o n ) 共同作用所表现出来 的一种特殊形式的包络脉冲，具有保形稳幅的传输特性。当光纤色散单独作用 于光脉冲时，产生脉冲展宽，限制光波系统的性能；而当光纤非线性单独作用 于光脉冲时，则产生频谱展宽，亦将限制光波系统的性能，但在一定的条件下， 这两种对立的有害的机制同时作用于光脉冲时，能达到某种平衡，这样就产生 了光孤子。 1 9 7 3 年，当时h a l 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时，借助非线性效应，建立了描述光纤中包络波 传输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都可以形变为孤子后稳定传输，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，表明在光纤的反常色散区可以存在亮孤 子【13 1 ，在正常色散区可以存在暗孤子【14 1 。这一发现使得人们产生了将光孤子作 为一种信息载体用于高速通信的念头。1 9 8 0 年，b e u 实验室的科学家f m o l l e n a u e r 【1 5 】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在现实中确实是存在的，这是孤子概念与理论研究 史上的一个新的里程碑。1 9 8 1 年，h a s e g a w a 和k o d 锄a 【m 】提出了采用光孤子 作为信息载体进行长距离通信的设想，并于1 9 8 9 年首先实现了孤子在6 0 0 0 l ( 1 n 距离上的稳定传输，从而使人们看到了光孤子的应用前景，由此开始了光纤孤 子通信研究的热潮。 光孤子的概念还可进一步通俗地概括【r 7 】为：某一相干光脉冲在通过光纤时， 脉冲前沿部分作用于光纤使之激活，而其后沿部分则受到光纤的作用而获得增 9 重庆邮电火学硕士论文第二章光孤子通信简介 益，前沿失去的和后沿获得的能量恰好相互抵消。其结果使得光脉冲在光纤中 传输时，没有任何形状上的变化，即形成一个稳定的光孤子或光孤立子。 2 1 1 光孤子通信特点 1 理论基础非线性薛定谔方程 从麦克斯韦方程组可以推导出光脉冲在光纤中的传输方程广义非线性 薛定谔方程【1 7 】，光脉冲在单模光纤中传输时，在只考虑群速度色散( g v d ) 和 非线性自相位调制效应( s p m ) 的情况下，光脉冲的复振幅彳( z ，f ) 满足 t ( 筹+ 局筹 一譬雾刊彳j 2 彳= 。 c 2 其中，z 和，分别为脉冲在光纤中的传输距离和时间，l 局和厦分别为脉冲的 群速度和群速度色散系数，反映了光纤的色散特性。，为非线性k e r r 系数，反 映了光纤的非线性特性。 对方程( 2 1 ) 做归一化处理，分别