0 概述
光通信傳輸速度及傳輸容量主要由光纖的群速色散引起的脈沖展寬決定。但利用群速色散為零的波長(zhǎng)進(jìn)行超高速、長(zhǎng)距離通信的限制和弊端已日益明顯地展露出來(lái)。而光孤子 技術(shù)便是解決這一問(wèn)題的手段之一。光孤子通信技術(shù)一經(jīng)提出，便顯示出突出的優(yōu)越性和巨大的發(fā)展?jié)摿Γ⒁鹑藗兊膹V泛關(guān)注。雖然這一領(lǐng)域目前仍處于理論研 究和實(shí)驗(yàn)的階段。但可以預(yù)計(jì)其很有可能將成為未來(lái)超長(zhǎng)距離信息傳輸?shù)闹饕侄巍?/p>
1 光孤子通信系統(tǒng)
長(zhǎng)距離光孤子通信系統(tǒng)由四個(gè)基本單元組成：光孤子源、孤子傳輸光纖、孤子能量補(bǔ)償放大器與孤子脈沖檢測(cè)接收單元。
1.1 光孤子源
光孤子源是光功率滿足一定要求的，可提供波形穩(wěn)定無(wú)啁啾變換限制的雙曲正割波形或高斯波形光脈沖序列的光源，是實(shí)現(xiàn)光孤子通信的關(guān)鍵部件。光孤子的產(chǎn)生方法有多種，如早期的色心激光器、 調(diào)制不穩(wěn)定激光器、光纖Raman（拉曼）孤子激光器與受激參量孤子激光器及多級(jí)壓縮孤子激光器等。1980年，Bellcore的Mollenauer 使用1.55μm的銷模色心激光器和低損耗光纖，首次在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到光孤子。1989年，又利用單模光纖的受激拉曼分布放大進(jìn)行能量補(bǔ)償，采用光纖循環(huán)結(jié) 構(gòu)模擬長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)55ps的孤子在42km的光纖環(huán)中穩(wěn)定傳輸6000km。現(xiàn)在比較流行的光孤子源有鎖模外腔半導(dǎo)體激 光器（ML-EC-LD）、增益開(kāi)關(guān)分布反饋半導(dǎo)體激光器（GS-DFB-LD）等。ML-EC-LD產(chǎn)生的脈沖波形較好且頻率啁啾成分較低，但結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，穩(wěn)定性差，集成ML-EC-LD是一種較好的孤子源產(chǎn)生方案；GS-DFB-LD結(jié)合去啁啾技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但仍有一定的殘余頻率啁啾，只要光脈沖的 頻率啁啾足夠小，脈沖便可在光纖中演化為光孤子，因而它是目前光孤子傳輸系統(tǒng)中重要的光源；ML-ER-FRL是一種新穎的超短光脈沖源，它能直接產(chǎn)生孤 子，無(wú)啁啾，可自啟動(dòng)并易于與光纖連接，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，也是目前使用較多的光源。
1.2 光孤子傳輸用光放大器
理想的孤子通信系統(tǒng)要求傳輸標(biāo)準(zhǔn)的雙曲正割波形的超短激光脈沖，在傳輸過(guò)程中具有保形及穩(wěn)定傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。光中繼放大器僅起放大幅度的作用，這種脈沖作用 為信息載體，能實(shí)現(xiàn)高速大容量通信。但在實(shí)際的孤子通信系統(tǒng)中，往往存在高階色散與非線性損耗及系統(tǒng)部件參數(shù)的隨機(jī)變化等；而輸入波形則可能偏離雙曲正割 波形，含有頻率啁啾或光源噪聲；光中繼放大器除了放大孤子脈沖外，還引入自發(fā)輻射噪聲。光孤子的穩(wěn)定傳輸要求脈沖無(wú)能量衰減，但這些光源、光中繼放大器及 傳輸線的非理想狀態(tài)將給孤子傳輸帶來(lái)不利，使孤子能量損失、脈寬展寬、傳輸容量減小，因而必須為孤子補(bǔ)充能量。
光放大器在光孤子通信系統(tǒng)中用于補(bǔ)償孤子傳輸過(guò)程中的能量損耗，是實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)距離通信的另一關(guān)鍵部件，主要有四種光放大器可實(shí)現(xiàn)光孤子放大，它們是半導(dǎo)體光放大器（SOA）、摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布式摻鉺光纖放大器（D-EDFA）和拉曼光纖放大器。
SOA的特點(diǎn)是尺寸小、頻帶寬、增益高，易和其他光電子器件混合集成，可工作于整個(gè)光纖的低損耗窗口，但與光纖耦合損耗太大，噪聲也大，且增益對(duì)光纖的極化和環(huán)境溫度很敏感，穩(wěn)定性差。
EDFA具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、泵浦功率低、可用半導(dǎo)體激光器作為泵源、偏振不敏感等特點(diǎn)，特別適用于高速長(zhǎng)距離通信應(yīng)用。Nakazawa等人在1989年首先用EDFA成功地實(shí)現(xiàn)了20GHz的孤子穩(wěn)定傳輸。
D-EDFA采用摻Er3+濃度低、增益系數(shù)低、截止波長(zhǎng)長(zhǎng)、數(shù)值孔徑大、負(fù)色散區(qū)寬的三角形折射率分布的摻鉺光纖，并采用1480nm雙向泵浦技術(shù)，以減少損耗，降低沿線能量起伏，可達(dá)到約100km的放大或泵站間距。
早期Hasegawa等人建議利用傳輸光纖的受激Raman放大補(bǔ)償光纖損耗，不久Mollenauer等人用此方案實(shí)現(xiàn)了4000km孤子穩(wěn)定傳輸。 拉曼放大器為發(fā)布式補(bǔ)償放大、波動(dòng)小、穩(wěn)定性好，但拉曼放大的泵浦效率低，所以要求泵浦功率高。目前，很難用于實(shí)際通信系統(tǒng)，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，此類放 大器也會(huì)用于實(shí)際信息傳輸系統(tǒng)中，并將會(huì)大大改善光孤子通信的性能。
2 光孤子傳輸技術(shù)剖析
光孤子傳輸系統(tǒng)的距離碼速乘積的上限受到多個(gè)參數(shù)的影響，包括光脈沖占空比、光纖的有效截面、光纖非線性系數(shù)、光纖損耗、光纖色散、放大器自發(fā)輻射因子、放 大器間距等等。為實(shí)現(xiàn)光孤子的長(zhǎng)距離傳輸，必須合理選擇光纖色散、放大器間距、放大器增益，傳輸距離、孤子脈寬、孤子入纖峰值功率、接收機(jī)判決門限等參 數(shù)，處理ASE（放大自發(fā)輻射）噪聲與Gordon-Haus限制、孤子相互作用、系統(tǒng)參數(shù)失配、非均勻擾動(dòng)及由此產(chǎn)生的色散波與不穩(wěn)定性。
早期的孤子傳輸實(shí)驗(yàn)將普通單模光纖作為傳輸媒質(zhì)，存在色散大、孤子閾值功率高等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，采用色散位移光纖（DSF），并形成一種DSF和EDFA周期性級(jí)聯(lián)的孤子傳輸系統(tǒng)組成方案，這一傳輸方案一直沿用至今，成為光孤子傳輸系統(tǒng)的基本組成方案。
Shiojiri和Fujii提出采用增大孤子幅度方法來(lái)增加放大器間距，稱為預(yù)加重。在用DSF和EDFA長(zhǎng)距離孤子傳輸系統(tǒng)中，合理選擇方案和系統(tǒng)參數(shù)是保證脈沖穩(wěn)定傳輸?shù)那疤帷Ｈ欢瑹o(wú)論何種系統(tǒng)方案，均離不開(kāi)預(yù)加重措施的使用。
但是在采用預(yù)加重措施之后，在傳輸距離L過(guò)大時(shí)，脈沖仍將失去孤子特性。為此在傳輸系統(tǒng)中應(yīng)考慮另一個(gè)重要參數(shù)，即放大器間距La。放大器間距與系統(tǒng)中 的許多參數(shù)如光纖損耗、色散、脈沖寬度、預(yù)加重因子等有關(guān)。從應(yīng)用角度看，La應(yīng)盡可能地大，以減少整個(gè)系統(tǒng)成本，但從孤子傳輸性能來(lái)看，放大器間距越 小，放大特性越接近分布放大，有利于孤子傳輸?shù)姆€(wěn)定。對(duì)于目前考慮的孤子通信系統(tǒng)，放大器間距一般取幾十公里。當(dāng)孤子系統(tǒng)的La確定后，色散長(zhǎng)度Ld會(huì)隨 脈寬與色散的變化而變化，歸一化放大器間距Za=La/Ld有可能出現(xiàn)遠(yuǎn)小于1，約等于1或遠(yuǎn)大于1等多種情況，與此相應(yīng)的有平均孤子傳輸、動(dòng)態(tài)孤子傳輸 和絕熱孤子傳輸?shù)炔煌瑐鬏敺绞健?/p>
預(yù)加重系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，就幅度加重因子究竟應(yīng)該多大，提出過(guò)幾種方案：1）隨脈寬變化確定，預(yù)加 重功率引起的脈沖變窄正好補(bǔ)償損耗引起的脈沖展寬，這種方案稱為動(dòng)態(tài)孤子通信方案。這種方案是基于孤子幅度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，表征孤子特征的面積不變定 理，其優(yōu)噗是放大器間距與孤子周期可比擬。2）隨功率變化確定，使加重后孤子脈沖的路徑平均功率等于不考慮光纖損耗時(shí)的基態(tài)孤子功率，故又稱為平均孤子通 信方案。
這一制約條件使La不能太大，通常La遠(yuǎn)小于孤子周期，但傳輸非常穩(wěn)定。而絕熱孤子方案利用兩個(gè)放大器間的傳輸絕熱特性，其加重因子比平均孤子傳輸所需的大，且不如平均孤子傳輸穩(wěn)定。
3 光孤子通信系統(tǒng)控制技術(shù)
對(duì)光孤子通信系統(tǒng)進(jìn)行控制的常見(jiàn)方法有：頻域?yàn)V波控制、時(shí)域同步幅度調(diào)制控制和同步相位調(diào)制控制、非線性增益控制、色散補(bǔ)償與色散配置控制等。
頻域?yàn)V波控制，是在周期性集總放大孤子傳輸系統(tǒng)每一光纖放大器（EDFA）后插入光濾波器，稱為導(dǎo)頻濾波器，以濾除EDFA產(chǎn)生的ASE噪聲邊帶，實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)定傳輸。這種控制方案亦稱為帶寬限制放大控制方案。光濾波器通常采用空氣隙尾纖型濾波器，基本結(jié)構(gòu)是一種法布里珀羅（E-P）標(biāo)準(zhǔn)具，由兩塊高反臘平行 鏡片構(gòu)成腔體。
為克服ASE噪聲和Gordon-Haus效應(yīng)對(duì)通信容量的限制，Nakazawa等人提出了另一種傳輸控制 方案，稱為同步幅度調(diào)制控制，此方案是在孤子傳輸線上，周期性地提取時(shí)鐘脈沖，控制接入線路的電光幅度調(diào)制器，對(duì)通過(guò)調(diào)制器的孤子脈沖進(jìn)行整形和定時(shí)，實(shí) 現(xiàn)抑制孤子到達(dá)時(shí)間抖動(dòng)的目的。這是一種時(shí)域控制技術(shù)，不僅能克服Gordon-Haus效應(yīng)影響，對(duì)抑制相鄰孤子的相互作用亦十分有效。同步相位調(diào)制控 制方案是利用從孤子傳輸系統(tǒng)中提取的時(shí)鐘脈沖，控制經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器的光孤子脈沖，對(duì)光孤子中心頻率進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到抑制孤子到達(dá)時(shí)間抖動(dòng)的目的。1993年 Smith對(duì)同步相位調(diào)制控制孤子傳輸系統(tǒng)中的孤子定時(shí)抖動(dòng)進(jìn)行過(guò)初步分析，發(fā)現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)中點(diǎn)插入單級(jí)相位調(diào)制器，可使孤子到達(dá)時(shí)間抖動(dòng)方差降低 80％。
采用頻域和時(shí)域控制，扼制ASE噪聲和Gordon-Haus效應(yīng)，提高光纖孤子通信系統(tǒng)通信容量的方法，是孤子傳 輸控制的兩種基本方法。采用濾波器構(gòu)成的帶寬限制頻域控制系統(tǒng)，能扼制Gordon-Haus效應(yīng)，但由于補(bǔ)償濾波器插入損耗的附加增益，會(huì)引起濾波器中 心頻率附近色散波累積，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定下降，通信容量得不到很大的提高。
非線性增益控制方案是利用系統(tǒng)增益特性隨光強(qiáng)非線性變化的控制機(jī)制，使強(qiáng)光透射率高，弱光透射率低，可以對(duì)受擾或畸變的孤子脈沖整形和消除線性色散波，實(shí)現(xiàn)孤子穩(wěn)定傳輸。
目前應(yīng)用較多的還有色散補(bǔ)償控制技術(shù)，用色散補(bǔ)償正由色散與非線性引起的波形畸變，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并可用普通單模光纖實(shí)現(xiàn)孤子通信。根據(jù)沿傳輸系統(tǒng)光纖 色散的分布方式，目前提出了終端正色散補(bǔ)償、終端正色散補(bǔ)償在線濾波控制混合補(bǔ)償、周期性集總式色散補(bǔ)償、周期性分布式補(bǔ)償?shù)葞追N方案。
色散補(bǔ)償控制技術(shù)用于光孤子通信系統(tǒng)可對(duì)ASE噪音、孤子相互作用與色散波等進(jìn)行控制，達(dá)到提高系統(tǒng)傳輸速率，增大傳輸距離和通信容量的目的。
4 光孤子通信現(xiàn)狀與展望
近幾年來(lái)，人們對(duì)光孤子研究的領(lǐng)域不斷拓展，取得了重大進(jìn)展，例如光孤子的WDM（波分復(fù)用）應(yīng)用，準(zhǔn)孤子理論，利用光孤子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，最大放大間距受到限制，如何延長(zhǎng)放大間距，減少放大器數(shù)量，降低成本是光孤子通信亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。
目前對(duì)光孤子的研究正在深入進(jìn)行。由于光孤子通信具有傳輸容量大、距離長(zhǎng)、誤碼率低、抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因而一直受到國(guó)內(nèi)外科技工作者的關(guān)注，其研究前景無(wú)限寬廣。