光孤子通信介绍

1、目录1孤子2光孤子的形成机理3光孤子通信主要技术4光孤子通信特点5研究方向 孤子孤子孤子（孤子（SolitonSoliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。不变的脉冲状行波。孤子这个名词首先是在物理的流体力学中提出来的。孤子这个名词首先是在物理的流体力学中提出来的。孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变，孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把孤立波称为孤立子，简称孤子。好像粒子一样，故人们又把

2、孤立波称为孤立子，简称孤子。 光孤子的形成机理光孤子的形成机理1973 1973 年，年， Hasegawa Hasegawa 和和 Tappert Tappert 首次提出首次提出“光孤子光孤子”的的概念，并从理论上推断，概念，并从理论上推断， 无损光纤中能形成光孤子。他无损光纤中能形成光孤子。他们认为，们认为， 当光脉冲在光纤中传播时，当光脉冲在光纤中传播时， 光纤的色散使得光光纤的色散使得光脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲展脉冲展宽宽，限制了传输容量和传输距离。但当光纤的入纤功率足，限制了传输容量和传输距离。但当光纤的入纤功率足

3、够大时，够大时， 光纤中会产生非线性现象，光纤中会产生非线性现象， 它使传输中的光脉它使传输中的光脉冲前沿群速度变大，冲前沿群速度变大， 后沿群速度变小，后沿群速度变小， 其结果是使其结果是使脉冲脉冲缩窄缩窄。当光脉冲的展宽和压缩的作用相平衡时，就会产生。当光脉冲的展宽和压缩的作用相平衡时，就会产生一种新的光脉冲，一种新的光脉冲， 形成信号脉冲无畸变传输，形成信号脉冲无畸变传输， 这时的光这时的光脉冲是孤立的，脉冲是孤立的， 不受外界条件影响，不受外界条件影响， 因此称为光孤子因此称为光孤子光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散（GVDGVD

4、）和）和自相位调制（SPMSPM）共同作用形成的。）共同作用形成的。 Solitary wave in a laboratory wave channelSolitary wave in a laboratory wave channel光孤子通信系统的基本组成光孤子通信系统的基本组成光孤子通信主要技术光孤子通信主要技术 （1）光孤子源技术）光孤子源技术 光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并有规定的形状和峰值。目前，研究和开发的光孤子源种类数量级，并有规定的形状和峰值。目前，研究和开发的光孤子源种

5、类繁多，有拉曼孤子激光器、掺铒光纤孤子激光器和锁模半导体孤子激光繁多，有拉曼孤子激光器、掺铒光纤孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。器等。（2 2）光孤子放大技术）光孤子放大技术 全光孤子放大器是光孤子通信系统极为重要的器件全光孤子放大器是光孤子通信系统极为重要的器件, ,既既可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器。实际上，可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器。实际上，光孤子在光纤的传播过程中，存在着不可避免地损耗。不过光孤子在光纤的传播过程中，存在着不可避免地损耗。不过光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，

6、补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前因此，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的光放大器有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的光放大器的方法，即是用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大的方法，即是用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器；另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或器；另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器。半导体激光放大器。光孤子通信的特点光孤子通信的特点(1)(1)容量大：现阶段信号的传输速率最高可以达到容量大：现阶段信号的传输速率最高可以达到100Gb/s100Gb/s，

7、一般情况下可以达到，一般情况下可以达到101020Gb/s20Gb/s。普通。普通光纤通信相比其他通信方式的优点之一是通信容量光纤通信相比其他通信方式的优点之一是通信容量大，光孤子通信比普通光纤通信又有了大幅提高，大，光孤子通信比普通光纤通信又有了大幅提高，具有非常明显的优势。具有非常明显的优势。(2)(2)全光：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光全光：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、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、再重新发送重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。等复杂过程。(

8、3)(3)误码率低、抗干扰能力强：基阶光孤子在传输误码率低、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实现误码率低于10101212的无差错光纤通信；的无差错光纤通信；薛定谔方程的推导薛定谔方程的推导光在光纤中的传输，若忽略光纤的损耗，可用非线光在光纤中的传输，若忽略光纤的损耗，可用非线性薛定谔方程描述性薛定谔方程描述. .式中：为光场式中：为光场 的复的复 振振 幅，幅，i i为虚数单位，为虚数单位， 为时间参为时间参量量；

9、/ / ，是群速度色散，是群速度色散， 分别为二阶和三分别为二阶和三阶色散系数，阶色散系数，为非线性系数。为非线性系数。可用分布傅立叶变换和可用分布傅立叶变换和matalabmatalab数值求解确定光孤子的数值求解确定光孤子的基阶及二阶三阶光基阶及二阶三阶光孤子孤子的演变。的演变。333222216|2TATAAAiTAiZA图图 是忽略损耗的基态孤子是忽略损耗的基态孤子的传输，的传输， 其幅度和形状几乎没其幅度和形状几乎没发生变化。发生变化。图是二阶孤子的传输。它是以二图是二阶孤子的传输。它是以二阶色散距离为周期，阶色散距离为周期， 周期性的发生周期性的发生吸引和排斥，吸引和排斥， 也就周

10、期性的出现一也就周期性的出现一个峰值。个峰值。图是三阶孤子的传输，图是三阶孤子的传输， 在传输在传输过程中很快分裂，过程中很快分裂， 除两侧两个大除两侧两个大的孤子外，中间激起第三个孤子。的孤子外，中间激起第三个孤子。（4 4）光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用）光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用提供了方便；提供了方便；（5 5）导频滤波器有效地减小了超长距离内噪声引）导频滤波器有效地减小了超长距离内噪声引起的孤子时间抖动；起的孤子时间抖动；（6 6）本征值通信的新概念使孤子通信从只利用基）本征值通信的新概念使孤子通信从只利用基本孤子拓宽到利用高阶孤子，从而可增加每个脉冲本孤子拓宽到利

11、用高阶孤子，从而可增加每个脉冲所载的信息量。光孤子通信的这一系列进展使孤子所载的信息量。光孤子通信的这一系列进展使孤子通信系统实验已达到传输速率通信系统实验已达到传输速率1020Gbit/s1020Gbit/s，传输，传输距离距离13000200001300020000公里的水平。公里的水平。研究方向研究方向1.1.掺杂掺杂光子晶体光纤光子晶体光纤产生光孤子所需泵浦功率的研产生光孤子所需泵浦功率的研究究2.2.非线性非线性效应、光纤、光纤放大器等对光孤子在光效应、光纤、光纤放大器等对光孤子在光纤中的传输特性的影响纤中的传输特性的影响3.3.光孤子改变了光网络中数据的编码方式，并可延光孤子改变了

12、光网络中数据的编码方式，并可延长再生距离，从而可以大幅度削减传输成本。长再生距离，从而可以大幅度削减传输成本。 光子晶体光纤的总色散光子晶体光纤的总色散 D() D() 可表示为可表示为D() D() D () + D m () D () + D m ()， (1) (1)式中，式中， D () D ()为波导色散，为波导色散， 与光子晶体光纤的结构密切相关与光子晶体光纤的结构密切相关;D m ;D m ()()为材料色散，为材料色散， 与材料折射率有关。与材料折射率有关。D( ) = 0 D( ) = 0 处处 的的 波波 长长 为为 零零 色色 散散 波波 长长 ，D() D() 0 0

13、的的区域为光纤的正常色散区，区域为光纤的正常色散区， 反之为光纤的反常色散反之为光纤的反常色散区色散效应导致光脉冲不同频率分量运动速度不同，区色散效应导致光脉冲不同频率分量运动速度不同， 使得脉冲在传输过程中展宽使得脉冲在传输过程中展宽 自相位调制效应是指光脉冲在光子晶体光纤中传输时由自相位调制效应是指光脉冲在光子晶体光纤中传输时由光脉冲本身引起的相位变化。它是由光脉冲本身引起的相位变化。它是由克尔效应克尔效应( (指与电场二次指与电场二次方成正比的电感应双折射现象方成正比的电感应双折射现象，即：，即：放在电场中的物质，由放在电场中的物质，由于其分子受到电力的作用而发生取向（偏转），呈现各向异

14、于其分子受到电力的作用而发生取向（偏转），呈现各向异性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能力有所不同。力有所不同。) )引起的，引起的， 即即:n = n 0 + n 2 I:n = n 0 + n 2 I， 式中式中n n 为光为光子晶体光纤折射率，子晶体光纤折射率， n 0 n 0 为线性折射率，为线性折射率， n 2 n 2 为非线性折为非线性折射率系数，射率系数， I I 为电场强度。在光纤正常色散区内为电场强度。在光纤正常色散区内，自相位调自相位调制效应导致光脉冲展宽制效应导致光脉冲展宽; ;而在光纤反常色散区内而在光

15、纤反常色散区内，自相位调制自相位调制效应导致光脉冲压缩。效应导致光脉冲压缩。利用有限元法设计了一种纤芯掺杂光子晶体光纤，利用有限元法设计了一种纤芯掺杂光子晶体光纤， 光纤的光纤的反常色散区达反常色散区达 1.45 m， 包括第二、包括第二、 第三通信窗口及正在第三通信窗口及正在研究的第四、研究的第四、 第五通信窗口第五通信窗口 ， 数值模拟了飞秒脉冲在该数值模拟了飞秒脉冲在该光纤中产生光孤子所需泵浦功率的大小。为表述方便，光纤中产生光孤子所需泵浦功率的大小。为表述方便， 暂暂且称该类型光纤为光孤子光纤。该光纤具有超宽反常色散且称该类型光纤为光孤子光纤。该光纤具有超宽反常色散区，区， 在反常色散区有较大的非线性系数和较小的色散系数，在反常色散区有较大的非线性系数和较小的色散系数， 并要求非线性系数和色散系数随波长的变化趋势相一致