光孤子的形成及光通信中应用毕业论文.doc

兰州交通大学毕业设计（论文）光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光孤子的形成及光通信中应用光朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典光孤子的形成及光通信中应用毕业论文目 录朗读显示对应的拉丁字符的拼音第一章 概述11.1光孤子的基本概念11.2光孤子的特点21.3 光孤子的研发历程2第二章 光孤子传输基础及其系统关键技术52.1光孤子传输基础52.1.1光孤子形成的机理52.2 光孤子传输原理52.2.1光纤中光孤子传输遵循的非线性薛定愕方程82.2.2光孤子传输的基本性质102.2.3影响光纤孤子传输特性和传输容量的主要因素112.3 光孤子传输系统及其关键技术142.3.1 光孤子传输系统142.3.2 系统的关键技术152.4 光孤子传输系统实验研究现状及展望17第三章 光孤子源183.1光孤子源实验研究183.1.1. 增益开关半导体激光器183.1.2 F-P滤波器213.1.3 掺饵光纤放大器223.2 被动锁模光纤环形孤子激光器223.2.1被动锁模光纤环形孤子激光器的结构和工作原理233.2.2激光器稳定性的分析243.3 主动锁模光纤环形孤子激光器273.3.1主动锁模光纤孤子激光器的结构273.3.2主动锁模孤子激光器输出的孤子脉冲宽度与其结构参数的关系283.4 主被动锁模光纤环形孤子激光器的结构333.4.1 数学模型343.4.2 数值模拟353.4.3 激光器稳定性的分析36第四章 光孤子放大器404.1 掺饵光纤放大器（EDFA）404.2掺饵光纤放大器的一般特性414.3 超短光孤子在掺铒光纤放大器中的放大424.4 超短光孤子在放大环镜中的放大44总 结49致 谢50参考文献5150字典第一章 概述1.1光孤子的基本概念孤子是英文soliton的译名，最早是英国海军工程师于1834年偶然发现的船舶在河流中航行时形成的一种特殊的形状不变的水波，称为孤子波（solitorywave）。由此开始，物理学家和数学家们对这种现象进行了一个多世纪的深入研究，建了描述各种孤波现象的非线性方程。光学中孤波现象的研究始于1965年，先后发现了自聚焦空间孤子与非线性介质波导中的传输孤子。在光学中孤子这个词以描述光脉冲包络在非线性介质中传播时的类似于粒子特性为特征，在数学上是非线性波动方程的局域行波解，在一定条件下，这种包络孤波不仅不失真地传播，且象粒子那样经受碰撞仍保持原形而继续存在，称为光学孤子或光孤子（Optical Soliton）。1973年Hasegawa在理论上推断，光纤中能够形成孤子，1980年Mollenauer用实验方法在光纤中观察到了孤子，并于80年代提出将光纤中的孤子用作传递信息的载体，构建一种新的光纤通信方案，称为光纤孤子通信。光中的孤子是光纤色散与非线性相互作用的产物，服从非线性薛定谔方程（NLSE），受光纤线性与非线性特性的支配。光纤的群速色散(GVD)使孤子脉冲在传输过程中不断展宽。光纤损耗亦使脉宽按指数展宽，幅度指数衰减。光纤的非线性使脉冲压缩光纤中孤子是色散与非线性相互作用达到平衡时的产物，所以光纤特性对光孤子的形成、传输演变特性与通信能力有决定性影响，是支撑光纤孤子通信的决定性因素。光孤子（Soliton，Solitons in optical fibres）是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散；使得脉宽变宽。但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即介质的折射率随光强度而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光孤子。若脉冲幅度继续增大时，变窄效应将超过变宽效应，则形成高阶光孤子，它在光纤中传输的脉冲形状将发生连续变化，首先压缩变窄，然后分裂，在特定距离处脉冲周期性地复原。1.2光孤子的特点光孤子的特点决定了它在通信领域的应用前景。通常将基阶光孤子用于通信，因为它在整个传播过程中没有任何变化。光孤子通信具有以下特点： （1）容量大：传输码率一般可达20Gb/s，最高可达100Gb/s以上； （2）误码率低、抗干扰能力强：基阶光孤子在传输过程中保持不变及光孤子的绝热特性决定了光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于1012的无差错光纤通信； （3）可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。1.3 光孤子的研发历程 光纤孤子通信涉及孤子的产生、传输演化、放大整形与传输控制等基本问题。光孤子通信研究大致可以分成三个阶段: 第一阶段(l973一1983年):提出了光孤子传输的通信理论，大胆的预言了在光纤的反常色散区域可以观察到光孤子的存在，拉开了这一阶段理论研究的序幕。1973年，美国Bell实验室.AHasgewaa和ETappet发表了关于色散光纤中非线性光孤子脉冲稳定传输的文章，从理论上揭示了光孤子形成的机制与传输演化的规律，提出了在光纤的反常色散区域能够形成光孤子。1980年，同样是Bell实验室的L.FMollneuae等人在实验上证实了光孤子的存在，并在1985年的CLEO会议上演示了喇曼增益方法保证光孤子传输10kill的实验。1981年初，.AHasge和丫Kdemaa发表了单模光纤中用光孤子传输信号的著名文章，正是揭开了光纤孤子通信的序幕;接着，在1982年，他们又提出利用周期性喇曼泵浦法来补充光孤子损失的能量。 第二阶段(l984一1990年):成功的研制成了第一台色心晶体孤子激光器，从而揭开了实验研究的序幕。1984年，LEMollneuaer等人制成了光孤子激光器，使光孤子实验得到了迅猛的发展;次年，他们又利用色心孤子源和喇曼增益补偿损耗的办法，使光孤子脉冲无畸变的传输了10km;1986年，他们又综合设计了一种系统，这种系统以每隔30-100km用双向泵浦的喇曼增益来补偿光纤损耗的办法，把1.56-1.59um和的4-10Gb/s的脉冲串传输了数千千米;1988-1989年，他们用锁模色心激光器作为孤子源，在42km的光纤环路上作周期的喇曼泵浦放大把光孤子脉冲循环传输了4000mk以上。1989年，日本的NTT研究所首次报道完成了掺饵光纤放大器(EDAF)用来补偿孤子脉冲能量的损失，他们采用掺饵离子单模光纤作为增益介质，在泵浦激光下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。同年，M.Nkaaz等人也成功的实现了用掺饵光纤放大器使20GHz的孤子脉冲稳定的传输。 第三阶段(l990一):这个阶段，半导体激光器和EDAF在光孤子通信系统中的成功应用，拉开了光孤子走向实用化的序幕。自90年代以来，日、美、英等国相继出现以半导体LD作光源与泵浦源的实验系统，用掺饵光纤放大代替喇曼放大，在实验和理论上取得了巨大的进展。1991年，ATT&BELL实验室实现了3x27mk环路上以伪随机码2.5Gb/s作了14000km的无误码的传输，并做了2x2Gb/s的波分复用系统的9000km的实验。NTT则以直路用20Gb/s的脉冲列传输了350km，用10Gb/s的脉冲传输了1000km，还实现了1000000km的超长距离的传输，并突破Gordon一Haus效应对孤子传输距离的限制。同时，M.Nakazama等人采用同步幅度调制与频域滤波相结合的系统组成方案，采用10Gb/s的脉冲，实现了的孤子的稳定的传输。国内，从1984年起，我们就在基础理论和光孤子传输演化特性分析、实验方案、系统设计等方面开展了许多研究工作。在80年代末、90年代初曾己有多所院校开展光孤子通信理论与实验研究，如东南大学、清华大学，北京邮电大学，上海大学、天津大学等，分别在国家自然科学基金、国家通信“863”计划和相关部委支持下开展一些基础性研究，主要研究内容有:光孤子源、光孤子补偿放大器、单级孤子传输理论、单级短距离传输实验、周期性集总补偿放大长距离孤子传输理论、长距离光孤子传输控制理论等，均取得了可喜的成果。1984年，安徽光机所开展了连续锁模忆铝榴石(YAG)激光器的研制;1986年华南师范大学研制成功了色心激光器;1990年3月在南京市召开了我国首次光孤子通信和光孤子激光学术会议;1994年，武汉邮电研究所研制成功了EDAF，它具有增益高、噪声低、增益特性与光偏振状态无关等一系列优点，达到了世界先进水平。在光端机的发送端加后置式EDAF，在接收端加低噪声前置EDAF，可以使2.488Gb/S系统具有跨越100一250km无中继距离的能力。1995年9月在连云港召开了第三届全国光孤子通信和非线性导波学术会议;1999年初，我国“863”研究项目“ITDM光孤子通信关键技术研究”通过了专家验收。该项目组成功地研制了增益开关激光器和2.5Gb/S电时钟:采用非线性光学环路实现.25-20Gb/s的解复用;采用惆啾光栅对20Gb/s信号在标准单模光纤中传105km后造成的色散进行补偿，研制2.5Gb/s妮酸锂强度调制发送单元等。该项目组还成功地进行了20Gb/s、105km的光纤传输。鉴于高速长距离孤子通信研究，国内技术基础较弱，技术难度较大，研究经费不足，90年代中期后，研究工作进展缓慢，但南京邮电学院光纤通信研究所仍在继续研究，杨祥林教授于2000年完成一项自然科学基金项目:光孤子两个重要前沿理论的研究，被自然科学基金委评为特优成果，现正在进行另一项自然科学基金项目“色散管理孤子理论及其应用研究”。光孤子通信作为一项具有美好前景的新型通信技术，是20世纪最重要的科技成就之一。它在发展的前景上具有无可比拟的优越性。1）光孤子通信克服了色散的制约，当光强度足够大时，会使光脉冲变窄脉冲宽度不到一个皮秒时，可以使光纤的带宽增加10-100倍，极大的提高了传输能量和传输距离。光孤子通信作为新一代光纤通信系统在洲际陆地和越洋通信等超长距离超大容量通信系统中大显身手。2)光纤通信系统不但容量大、频带宽、增益高，更可贵的是从根本上改变了现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗和不便。是一场光纤通信的革命。3)光孤子通信由于没有使用电子元件，可以在很高的温度下工作，甚至是1000的高温，这对高温条件下的自动控制或测量具有划时代的意义。为人类提供了新的思想的传输系统。光孤子技术未来的前景是: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10-20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大传输距离方面采用重定时，整形，再生技术和减少ASE，光学滤波使传输距离提高到100000公里以上;在高性能EDAF方面是获得低噪声高输出EDAF。当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术的难题，但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系统中，有着光明的发展前景。如此美好的前景、如此诱人的事业，一定会吸引国内外众多科技人员为之努力奉献。第二章 光孤子传输基础及其系统关键技术2.1光孤子传输基础2.1.1光孤子形成的机理光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散（GVD）和自相位调制（SPM）共同作用形成的。 光脉冲在光纤中传输时总是存在一定的频率范围，在线性近拟中，常将光脉冲表示成在一定范围内一系列简谐波的叠加。由于各谐波分量相速度不同，因而光脉冲包络的传输通常以群速来表示（为光波波数, 为载波频率）。由该式可见，群速度是随着频率的变化而变化的，而光脉冲中不同频率的分量则会以不同的速度进行传播，导致脉冲的分散，这种现象称之为群速度色散（GVD）。研究的结果表明， =1310nm处为零色散波长，称之为反常色散区域，1，孤子解的形式将变得相当冗长，出现二阶、三阶等高阶孤子，在传输过程中强度和脉宽也不会像基阶孤子那样稳定不变，而是作周期性变化，即先变窄，而后分裂为个几窄脉冲，最后在处恢复原形，如图图2-2所示。图2-2 三阶（N=1）光孤子在一个周期内的包络演化图2-2为三阶孤子在一个周期内的包络变化，其中表示为非归一化长度。因此，到目前为止，在光孤子通信中，只使用基阶孤子作为信息载波。当考虑光纤损耗时，若损耗足够小，可用微扰法（Perturtation theory）2-3求得孤子的解为： （2-4）表明在实际有损耗光纤中孤子传输时，脉冲幅值依exp(-2T)衰减。根据光孤子绝热特性2-3：即基阶孤子面积等于其振幅与脉宽的乘积且恒为常数k，可见脉宽将依k exp(2T)而增宽，但仍保持面积不变。孤子的这个特性启示人们，仅仅简单周期性地给孤子脉冲补充损耗掉的能量，就能使孤子脉冲恢复其原形状，并稳定不变形地传输到无穷远处，而不需像线形系统那样，在每个中继站使光脉冲再生和放大。这正是孤子作为通信的信息携带者的绝妙之处，能够具有较高的传输码率和超远的通信距离。2.2.1光纤中光孤子传输遵循的非线性薛定愕方程研究光纤中孤子的产生与传输问题，必先建立包络传输方程。首先对光波包络函数作唯象描述，将光场e写成快变和慢变部分的乘积 （2-5）中Re代表实部;和分别代表快变部分光载波的传播常数和角频率; 代表光场慢变部分的包络函数即复数幅值，随空间和时间缓慢变化，在附近有定域的频谱结构，谱宽为，如图2-3所示。图2-3 慢变电场包络（a）光脉冲波形；（b）谱分布折射率n与传播常数k是光场频率的函数，具有关系。为研究附近调制包络边带内各频率分量的传播特性，在处对k展开 （2-6）基于包络函数为z和t的慢变函数，用傅氏空间变量和对作傅氏变换，得 （2-7）其逆变换为 （2-8）因此可分别将看作的傅氏变换，利用这些算符式（2-6）可表示为 （2-9）将式（2-9）作用于包络函数，保留k的二阶导数项，得 （2-10）式(2-9)可用来研究给定边界时光脉冲包络的空间发展。当，上式的解可表示为，的任意函数，表明光脉冲包络以群速传播，因此在以群速移动的新的坐标系 （2-11）中来处理问题，式中为相对谱宽，为小量，这时式(2-9)变为 （2-12）普通单模光纤，纤芯截面约，当注入光功率约时，光场为量级，折射率约量级。传输常数改变量约量级。将此非线性效应产生的传输常数变化并入式(2-6)，在色散与非线性效应平衡情况下，式(2-12)改写为 （2-13）式中g代表考虑光强沿光纤截面变化的降低因子，一般近似取值为1/2。将上式归一化后可写成 （2-14）其中各归一化变量为， （2-15）式中为包络脉冲初始脉宽为色散长度。式(2-13)和式(2-14)在形式上与量子学中的薛定谬方程完全类似，称谓非线性薛定愕方程，是支配光脉冲包络传输演化的基本方程。非线性薛定愕方程能对弱非线性、皮秒(ps)孤子脉冲进行唯象描述，但不能描述强非线性和飞秒(fs)孤子脉冲的传输。在强非线性情况下，光纤中将出现受激喇曼散射与受激布里渊散射，产生新的频率分量和交叉相位调制。在飞秒脉冲(脉宽ps)传输时，脉冲包络谱变宽，慢变包络近似条件失效，必须考虑非线性延迟响应和非线性色散影响，高频分量的能量会通过SRS增益转移给低频分量，称自频移。方程中亦忽略了损耗和高阶色散的影响。为考虑这些因素的影响!，采用塔纽蒂(几Taniuti)递减扰动法(reductive perturbation method),可导出描述光脉冲包络演化的扰动非线性薛定谔方程为 （2-16）上式右边带系数的项为高阶项，其中第一项代表线性高阶色散的影响 (2-17)第二项代表Kerr系数的非线性色散的影响 (2-18)第三项代表自感应喇曼效应的影响，与喇曼增益的频响有关 (2-19)最后一项代表光纤损耗 (2-20)2.2.2光孤子传输的基本性质由麦克斯韦方程组可知光脉冲复包络在光纤中的传输方程满足广义非线性薛定谬方程(NLSE)，而在无损光纤中，考虑低阶GVD和克尔效应的情况下，光脉冲在单模光纤内传输时，脉冲的幅度满足: (2-21)式中，分别反映了光纤的色散，为光纤的非线性特性。色散长度和非线性长度给出了沿光纤方向脉冲演变得长度量，它说明在此过程中色散或是非线性效应哪个更重要。在光纤的反常色散区，适当控制入纤的光功率和光脉冲宽度，使色散和非绷保持平衡，即为整数，方程(2-21)即有所谓的孤子解，其中N为孤子的阶数，基态孤子对应于N=l的情形。在初始输入脉冲为和位置无关的双曲正割(Sech)函数条件下，Zakharov和Shabat采用Lax方法解析了方程(2-21)，得出稳定的脉冲解: (2-22)式中，为孤子的幅度，频率，时间位置以及相位四参数。上述的结果是理想光纤情形，1990年，Hasegawa等采用Lie变换方法研究了有损光纤集总放大的情况下的孤子传输，通过变换孤子的幅度，即对孤子进行预加重，加重后孤子脉冲的路径平均功率等于不考虑光纤损耗时的基态孤子功率，故又将其称为“平均孤子”，处于平均孤子区，对一些扰动如光纤的损耗、过剩增益以及非标准的初始脉冲条件等，光孤子表现出具有类似物理上弹性粒子的特性，从而可以实现光脉冲信号高速、超长距离稳定的传输。2.2.3影响光纤孤子传输特性和传输容量的主要因素无损耗NLSE是可积方程，可用逆散射方法求解，此时初始孤子注入波形为sech型，不同功率的注入对应于不同阶孤子的特性，且为实验所证实。然而实际的光纤通信系统并非如此理想，影响光孤子传输特性和传输容量的主要因素从总体上主要表现在两个方面:一是光纤介质引起的，如损耗、群损色散、偏振模色散等,二是非线性相互作用，如自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)等。具体表现在如下几个方面:(1)NLSE考虑光纤损耗时，传输方程(2-21)引入损耗，方程变得不可积，在孤子传输理论中，常用归一化损耗来表征实际损耗，定义为一个色散长度内的光纤损耗，当输入的脉冲宽度和色散变化时，若1，此时微扰理论已不合适，数值解表明脉冲幅度随距离快速衰减，有大量的色散波产生。人们提出采用色散缓变光纤(DDF)来解决，孤子在损耗光纤中保持形状，但产实用化。采用光放大器可以补偿光纤损耗对孤子传输的影响，但不可避免地引入放大器的自发辐射(ASE)噪声。1986年Gordon和Haus 采用看守恒量扰动方法研究ASE噪声对光孤子系统的影响，指出和线性系统不同的是，这些噪声并非加性噪声，它会引起孤子的频率调制，在色散光纤中，最终导致孤子中心位置的定时抖动。1988年Mollenauer采用实验证实了这一点。由此引起对孤子长距离通信传输的主要限制因素，单信道孤子通信系统的极限传输容量为29THz.km。(2)当脉宽门时，孤子传输中就不可避免地出现高阶色散及高阶非线性的影响，主要为三阶色散、非线性色散、拉曼效应影响。对三阶色散的研究表明，在偏离零色散波长时，一般三阶色散较小，采用守恒量扰动法求解，发现其不影响孤子的频率与幅度，却改变脉冲位置及相位。在接近零色散波长附近，数值分析表明，三阶色散引起色散波且使脉冲频率发生滑移，表现为能量在脉冲的后沿附近振荡，对孤子相互作用产生较大的影响。当考虑非线性色散时，孤子呈现自陡峭效应，孤子的峰值部分比两翼传输得慢，导致峰值处被延迟，从而使不同阶的孤子简并破裂，产生衰变，导致光孤子脉冲的自塌陷现象。拉曼效应影响表现为孤子高频分量成为低频分量的泵浦源，导致孤子中心的频率向低频方向移动，即孤子自频移。且频移速率与孤子脉宽的4次方成正比，同时拉曼效应与ASE噪声联合作用，影响孤子的传输特性。(3)初始条件的不匹配对孤子通信的影响。对于一个孤子通信传输系统，输入脉冲应该是没有惆啾的，波形为sech型，归一化幅度A=1，但实际条件是波形偏离sech型，含频率惆啾或光源噪声等。对初始频率惆啾的研究表明，当频率惆啾较小时，不论是上惆啾还是下惆啾，脉冲均可演化为孤子，但一部分能量将被色散掉。当频率惆啾超过某一临界值时，孤子形成被破坏，运用逆散射方法可得到这个临界值(A=1时该临界惆啾因子约为1.64)。进一步分析表明，适当孤子幅度加重可以减少惆啾的影响，如果脉冲波形偏离为高斯型或其他形状，脉冲传输过程中会产生一定的色散波，但仍能形成孤子。对有损耗光纤中，脉冲的脉宽会发生振荡，且随传输距离增加而增加，当初始输入为带惆啾的高斯脉冲时，脉冲会经历一个压缩然后连续的展宽过程。同时，在光源的发射处，光源噪声是不可避免的，逆散射理论表明，这种噪声会引起孤子会加一个不确定的初始相位，并使束缚模与连续模之间的谱再分配，同时还会引起脉冲到达时间的抖动，限制通信的容量。(4)孤子间相互作用的影响。孤子的相互作用从作用距离看可以分为短程相互作用和长程相互作用,从作用的频率分为同频孤子之间的相互作用(光时分复用系统中占主要因素)，异频孤子之间的相互作用,在偏振复用系统中还分为正交极化孤子和平行极化孤子之间的相互作用,从物理机制上看这些相互作用都为非线性相互作用，如XPM，FWM。短程孤子相互作用距离只限于10倍孤子脉宽，这种相互作用在系统中特别是在DWDM和高速OTDM系统当中会引起孤子的暂时频移或永久频移,其作用力的大小受孤子间距、相对相位、相对幅度的影响,为了消除相互作用的影响，要求孤子间的间隔必须大于5-6倍的孤子脉宽,否则将导致波形畸变,传输特性恶化。长程相互作用是由于脉冲在传输时引起光纤中的横向梯度电场变化，导致声波的产生,影响孤子的中心频率,从而导致脉冲产生定时抖动。对于大于10Gb/s的孤子传输系统，长程作用较为明显。Mollenauer采用绝热扰动方法研究了不同频率的孤子之间的相互作用,如果孤子的传输线上是无损耗、无放大的理想情况,孤子的中心频率在碰撞之后恢复到起始值，然而在有集总放大器(或周期色散扰动以及其它扰动)存在的况下，孤子之间的相互作用在放大器的前后(不同的能量区)是非对称的,由于其在每点并未保持色散和非线性的之间的平衡，从而导致孤子产生剩余的中心频移，引起孤子定时抖动。在长距离传输当中，这种剩余的中心频移会被平均掉，条件是孤子的碰撞长度大于2倍放大间距或色散管理周期，即对波分复用信道间隔的路径平均色散有一定的限制作用。然而,Mollenauer这种规律只适用于对XPM效应引起的相互作用的抑制，而忽略了FWM作用。在WDM系统当中，FWM是限制该系统的主要因素之一。其本质来自于信道频率之间非线性相互作用，从而在信道的频谱上产生斯托克斯和反斯托克斯边带，作为噪声导致信号功率降低。在线性系统中通常通过减小脉冲功率或提高路径色散来减小频谱之间的区配，然而这种做法限制了系统的容量和降低了系统的性能，Inoue提出特殊的码型或采用在线器件来抑制FWM的影响，R.W.Tkach提出采用光纤色散管理和不等信道间隔来抑制,但在信道速率提高时还是会有很多问题。对于理想状态下，孤子脉冲之间的碰撞是弹性的，在碰撞过程中产生的FWM分量随后被重新吸收，只有孤子的位置或相位改变。然而在周期放大条件下，孤子之间的FWM效应即使在满足孤子碰撞距离大于2倍放大间距时也不能消除，且随着碰撞次数增加而增加,会引起孤子的能量抖动和位置的定时抖动，在有ASE噪声的情况下，这种抖动会更加剧烈。(5)偏振模色散的影响。在设计和评价通信系统时，光纤的双折射引起脉冲的PMD是一个必须考虑的重要因素。研究表明,随机的双折射对孤子传输通常产生以下几种影响: 首先由于光纤双折射轴的随机变化，使传输的孤子的偏振态发生随机的改变，从而使孤子间产生微分群时延的积累，导致到达时间上的抖动，但当PMD参数很小时，PMD几乎不对孤子产生影响。其次在光放大系统当中，由于放大孤子的定时抖动。由于PMD影响，孤子在传输过程中会有色散波的逸出，导致孤子的能量降低，同时色散波反过来对孤子作用,导致孤子的频移。然而，孤子脉冲对PMD有抑制作用，Wai推出在PMD影响下,场的极化分量满足Manakovo-PMD方程,其一阶稳定解为孤子解，高阶解则可看为色散波形式，从而从理论上证明了孤子具有对PMD很强抑制作用。此后,B.Bakhshi等采用现场试验证实了孤子这一特性。2.3 光孤子传输系统及其关键技术2.3.1 光孤子传输系统将光孤子作为信息载波可实现光纤孤子通信，其传输系统如图2-4所示。图2-4 光孤子传输系统基本构成该系统由五个基本功能单元组成：（1）光孤子发送终端（TX）；（2）光孤子接收终端（RX）；（3）光孤子传输光纤（STF）；（4）光孤子能量补偿放大器（OAOAn）；（5）光孤子传输控制装置（TCS）。图中的SS为光孤子源，mod为光调制器，TS为实验设备。系统中的TX由超短脉冲半导体或掺饵光纤激光器、光调制器、信息源和光纤功率放大器所构成，用于产生光孤子脉冲信号；RX由宽带光接收机或频谱分析仪、误码仪与条纹相机所构成，用于测试系统传输特性或通信能力；STF由普通单模光纤或色散位移光纤（DSF）构成；OAOan由掺饵光纤放大器（EDFA）或半导体光放大器所组成，亦可由传输光纤本身的受激喇曼放大（SRA）或在传输光纤中掺入衡土饵元素构成的分布式饵光纤放大（DEDFA）系统来组成；TCS由导频滤波器、强度或相位光调制器、非线性元件和色散补偿光纤等组成，设置在沿传输系统不同的区域，用于克服或降低由放大器所带来的自发射（ASE）噪声和相邻孤子相互作用等对孤子通信容量的限制，提高孤子传输特性的稳定性。其中孤子光源、孤子放大以及对ASE噪声控制技术的选择已成为光孤子传输系统中核心的技术问题。2.3.2 系统的关键技术（1）孤子光源光孤子源是实现超高速光孤子通信的基础，应能直接产生具有双曲正割(sech)形式的基阶光孤子。为保持光孤子有效传播而不发生畸变，作为孤子光源的激光器必须具有足够的输出功率，且谱线宽度要尽量的窄。一般要求谱线宽度要在几MHz以下，波长是可调的，最好在1.55mm左右，此波长的光纤损耗最小。孤子激光器尽管种类很多，但应用于通信的激光器必须满足体积小、成本低和寿命长等要求。目前光孤子通信试验系统大多采用体积小、重复频率高的增益开关分布反射（DFB）半导体激光器或锁模半导体激光器作为孤子光源，所输出的脉冲均为高斯形，因而功率较小。但经光纤放大器放大后，仍可获得足够的功率，以至能形成光孤子传输的峰值功率。（2）孤子放大由于光孤损耗的存在，导致了孤子能量的不断减少，使得补偿色散展宽的非线性自相位调制效应减弱和光脉冲的展宽，严重地影响了光孤子的传输距离和容量，因而在光纤通信系统中需要在光纤线路上每隔一定距离对光孤子进行一次放大，而这种放大技术即成了光孤子通信系统传输距离和容量的决定因素。目前所应用的孤子放大技术有两种，一种是分布式光放大技术，最大的特点是可以对光信号直接进行放大，所使用的是受激喇曼散射（SRS）放大器或分布式掺饵光纤放大器（EDFA）。SRS光放大器是利用传输本身的SRS效应来补偿孤子的能量，基本思想是当两个不同频率的光波在同一光纤中传输时，由于光纤的非线性作用，使高频泵浦光波的部分能量传递给低频光孤子光波，使光孤子信号的能量得到补偿。SRS放大的优点是：光纤本身就成为光放大介质，由于是分布式的放大，所以周期性扰动小，只要保证泵浦周期小于8倍的孤子周期，就可保持孤子的稳定传输。但SRS放大器也存在一定的缺点，即SRS放大器的泵浦效率很低，仅0.1dB/mv左右，为达到实用的增益，泵浦功率必须在数百毫瓦功率级，用半导体激光器很难实现，再者，SRS放大器还存在噪声。所以，这个方法距光孤子通信的实用化还有一定的距离。而分布式EDFA是使用低浓度的掺饵光纤作为传输介质的，即利用掺饵光纤产生的受激放大增益来补偿光纤的损耗，放大器的装置如图2-5所示。图2-5 掺饵光纤放大器装置在光纤传输线路中接入掺饵光纤后，泵浦功率通过光纤耦合器进入光纤，这时掺饵光纤受到泵浦作用而产生受激辐射，将工作频带的光信号放大。分布式EDFA的优点是增益效率高（可达2dB/mv40.1dB/mv），所需的泵浦功率低，有几十毫瓦即可。同时可用半导体激光器来实现，通信的容量大，泵站的间隔长（比以下介绍的集总式的长2倍以上），且插入的损耗小、噪声低等等。其缺点是传输介质必须使用掺饵光纤，成本较高。另一种是集总式光放大技术，所使用的是集总式掺饵光纤放大器（EDFA），就是在光纤线路中每隔一定距离（LD）接入一段集总式光纤放大器（目前通常采用的是EDFA）来补偿孤子的能量损失。这是目前光孤子通信应用的主体方案，比较经济实用。其缺点是孤子幅度与能量起伏较大，会产生色散波，因而稳定性不如分布式的好。（3）ASE噪声控制对于超长距离光孤子传输系统，往往使用上百个甚至几千个掺饵光纤放大器（EDFA）进行能量补偿，因而经过EDFA累加放大的自发发射（ASE）噪声就成为系统的主要噪声源。ASE噪声会引起孤子中心频率的抖动，再加上光纤色散，中心频率抖动将转化为孤子到达接收端时间的抖动，这就是著名的Gorden-Haus效应。此效应使系统的极限通信距离受到限制，并使输入功率的容许变化范围减小。Gordon-Haus经过研究分析，提出了总的定时误差限制： BL3104() (2-23)式中：B为比特率，L为传输距离。该式被称为Gorden-Haus限制，即通信容量的限制，曾被看作是对单信道光孤子通信码率与距离的乘积。直到1991年导频滤波器（亦称控制滤波器）技术的出现，才使该极限被突破。导频滤波器的工作原理是：用同步调制，对孤子载波频率进行控制，使被放大了的ASE噪声所破坏的孤子脉冲位置重新定时，进而消除了Gorden-Haus效应造成的影响。当然，从理论上讲，使用导频滤波器控制ASE噪声的技术可在无限大的距离上进行孤子传输，但在实际上，该技术仅实现了106km的孤子传输。2.4 光孤子传输系统实验研究现状及展望 光孤子通信是实现超长距离高速通信的重要手段，被认为是第五代光纤通信系统。近年来美、日、英等国相继进行了光孤子通信传输的实验，例如美国的贝尔实验室先后进行了传输距离为4000km、6000km和15000km的光孤子传输的实验，证明了光孤子跨洋通信的可能性，该实验室还完成了32Gbit/s传输90km无误码的光孤子数据传输实验。再如日本的NTT公司也在完成5Gbit/s传输400km和10Gbit/s传输300km实验的基础上，完成了20Gbit/s传输200km和10Gbit/s传输1000km直通传输的实验。1996年，日本KDD公司与美国AT& T公司合作建设的新越洋海底光缆，即TPC-6工程，就采用了光孤子技术，其传输能力达到了100Gbit/s，距离在10000km以上。目前光孤子传输实验可实现的最高码率和最大传输距离分别为160Gbit/s和106km。所有这些都充分说明了光孤子通信的可行性及其巨大的应用前景。另外，如果采用波分复用、偏振复用和正交偏振等技术，光孤子传输系统的有效码率还可以提高数倍，甚至能达到Tbit/s数量级。未来光孤子传输系统研发的趋势很可能包括三个方面：（1）重视组合功能部件的研制，即将光孤子通信系统中的半导体激光器、光纤、放大器、耦合器等集成在几个大的功能块中，使其更趋于实用化；（2）随着光纤孤子激光器、光纤放大器（尤其是掺饵光纤放大器）技术的日趋成熟，光孤子传输系统很可能向着全光纤孤子传输的方向发展；（3）目前光孤子传输研究中的光孤子仅限一负色散区的亮孤子，由于光纤正色散区比负色散区范围大，所以研究在正色散区传输的暗孤子是一个很有价值课题。因为暗孤子传输的距离比亮孤子长约1倍，而且脉冲展宽较慢，受光纤损耗的影响比亮孤子也较小，所以暗孤子光纤通信很可能成为未来光孤子传输的主导方向。总之，尽管利用光孤子进行通信传输要真正实用化尚须解决一系列具体问题，但相信在不久的将来这项技术一定会被推广和应用。第三章 光孤子源光纤孤子通信是利用非线性效应补偿光纤色散的一种新的通信方法，是未来高速长距离通信的优选方案。在这种方案中，光孤子源是关键部件。锁模色心激光器、锁模半导体激光器，增益开关半导体激光器以及掺饵光纤锁模激光器等都曾被用作孤子光源。增益开关半导体激光器则由于能产生可变速率超短光脉冲，结构简单、稳定性好、使用方便等优点，在许多实验系统中采用。然而，采用这种激光器产生的超短光脉冲，伴随着很强的频率嘀啾，频谱很宽，不宜送入光纤中传输，必须采用滤波方法将惆啾滤除。经过滤波后的光脉冲，功率很低，通常仅为几十微瓦，不能达到孤子的闭值功率，须再对超短光脉冲进行。3.1光孤子源实验研究光孤子源由三大部分即增益开关半导体激光器、F-P腔滤波器和掺饵光纤放大器构成。3.1.1. 增益开关半导体激光器用增益开关半导体激光器产生可变速率超短光脉冲。它利用半导体激光器张弛振荡的第一个尖峰作输出。我们采用微波信号作为脉冲激励，通过50微带线叠加到激光器的直流偏置上。微波信号的频率和功率可调，激光器采用1.55m分布反馈(DFB)半导体激光器。增益开关半导体激光器是孤子光源的核心，其输出的超短光脉冲特性，是设计和调整滤波器参数的依据。为得对超短光脉冲最佳输出特性，我们对增益开关半导体激光器的输出特性与工作参数以及外部调制信号的关系进行了系统的实验研究。（1） 脉宽、峰值功率与运用条件的关系改变激光器的直流偏置，可得到不同宽度和强度的超短光脉冲。在较低的偏置电流下，脉冲较宽，峰值功率较小。随着偏置电流的增加，脉冲变窄，峰功提高。在某一偏置电流下，脉冲最窄。之后脉冲又变宽，在不同的调制频率和调制功率下，都得到了相似的结果。图3-1为调制频率为2.5GHz时，脉冲宽度随偏置电流变化的情况。图3-2为相应条件下，峰值功率的变化情况。从图中看出，当调制功率增加时，激光器输出的脉冲更窄，峰值功率更高。 图3-1 不同调制功率下脉宽随电流的变化图3-2 不同调制功率下峰值功率随偏置电流变化（2）谱宽与运用条件的关系在增益开关状态下，伴随强的频率叨啾，激光器的谱宽比稳态时的展宽很多，展宽量也与工作条件有关。改变偏置电流时，谱宽也改变。同脉宽的变化趋势相反，在较低的直流偏置下，谱宽较小。随着偏置电流增加，谱宽也增加。在某一点处，谱宽最大，超过此点，谱宽又减小。图3-3为不同调制功率下谱宽随偏置电流测试的变化曲线，在调制功率不同时，谱宽也不同，大的调制功率，得到的谱宽更宽。对不同的增益开关半导体激光器进行的实验研究都得到了与上述相同的结论。据此，可以根据需要改变激光器的工作条件，得到不同输出特性的超短光脉冲。图4和图3-5为根据需要调节激光器的工作条件所得的超短光脉冲的自相关曲线(SHG)和谱曲线。SHG曲线的半高全宽为38ps，经拟合比较，接近高斯型，故得脉宽为26.9ps。谱曲线的半高全宽为1.2nm，时间带宽积为4.3。图3-3 不同调制功率下谱宽随偏置电流的变化 图3-4超短光脉冲的SHG曲线图3-5 光谱曲线（条件同图3-4）3.1.2 F-P滤波器F-P腔具有窄带传输特性，适当设计其参数，使谐振频率与信号中心频率一致腔体带宽与信号带宽相等，则当光脉冲通过F-P腔时，惆啾成分被滤除。滤波器采用准光纤型结构，由一对带尾纤的自聚焦棒组成。两根自聚焦棒的自由端镀有高反射膜，相互平行放置，形成F-P腔。尾纤末端与活动连接器相接。滤波器上装有微调架，可根据需要对滤波器的腔长进行调节。为避免滤波器中心频率受外界影响而发生漂移，F一P腔的一个反射镜装有压电陶瓷，并与单片机反馈控制电路相连，使滤波器工作性能保持稳定。利用滤波器对图3-4所示的超短光脉冲进行了滤波，滤波后的SHG曲线和谱曲线分别如图3-6、图3-7所示。脉冲宽度和谱宽分别为24ps和0.14nm，时间带宽积为0.419，达到了高斯脉冲的变换限制。3.1.3 掺饵光纤放大器经滤波后的光脉冲，虽然达到了变换限制，但此时的平均功率已经很低，只有几十微瓦，远低于孤子闹值功率。利用自制的掺饵光纤放大器模块，对滤波后的光脉冲进行了放大。放大器由1根掺饵光纤(30m)，2只的半导体泵浦激光器，2只()波分复用器及1只光隔离器组成。小信号增益28dB，带宽25nm，噪声系数5.ldB，最大的输出功率11dBm。放大后的脉冲平均功率达到，相应于的峰值功率，远远超过光纤孤子传输要求的阑值功率()。 图3-6滤波后的SHG曲线3.2 被动锁模光纤环形孤子激光器实现超高速光通信, 需要一种稳定的孤子光源.用NALM 激光器可产生短至的光冲, 但这种激光器的重复频率不够稳定。 Stolen 等人提出利用非线性偏振旋转产生超短脉冲, Tamura 等人用NPR 激光器产生了, 重复频率为 的超短光脉冲.当脉小于 时就必须考虑三阶色散等高阶非线性效应对激光器稳定性的影响.本文通过路平均非线性薛定谔方程的求解,获得了被动锁模光纤环形孤子激光器稳定运行的条件。 图3-7 滤波后的谱曲线（条件同图3-6）3.2.1被动锁模光纤环形孤子激光器的结构和工作原理被动锁模光纤环形孤子激光器的结构如图3-8所示。 腔长( L ) 由普通光纤长度(Loof)和掺铒光纤长度(Ledf )决定.普通光纤的损耗为，掺铒光纤