基于光孤子系統(tǒng)的傳輸與控制技術(shù)

摘要：介紹了光孤子傳輸用的基本部件，分析了光纖孤子通信傳輸和控制技術(shù)的研究進展，指出了現(xiàn)階段有待解決問題，最后展望了光孤子通信發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：孤子理論；光孤子；光纖通信

　　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進行超高速、長距離通信的限制和弊端已日益明顯地展露出來。而光孤子 技術(shù)便是解決這一問題的手段之一。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?，并引起人們的廣泛關(guān)注。雖然這一領(lǐng)域目前仍處于理論研 究和實驗的階段。但可以預(yù)計其很有可能將成為未來超長距離信息傳輸?shù)闹饕侄巍?/p>

　　1　光孤子通信系統(tǒng)

　　長距離光孤子通信系統(tǒng)由四個基本單元組成：光孤子源、孤子傳輸光纖、孤子能量補償放大器與孤子脈沖檢測接收單元。

　　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，首次在實驗室觀測到光孤子。1989年，又利用單模光纖的受激拉曼分布放大進行能量補償，采用光纖循環(huán)結(jié) 構(gòu)模擬長距離傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)55ps的孤子在42km的光纖環(huán)中穩(wěn)定傳輸6000km?，F(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，無啁啾，可自啟動并易于與光纖連接，結(jié)構(gòu)較簡單，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)要求傳輸標準的雙曲正割波形的超短激光脈沖，在傳輸過程中具有保形及穩(wěn)定傳輸?shù)奶攸c。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，能實現(xiàn)高速大容量通信。但在實際的孤子通信系統(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，因而必須為孤子補充能量。

　　光放大器在光孤子通信系統(tǒng)中用于補償孤子傳輸過程中的能量損耗，是實現(xiàn)高速長距離通信的另一關(guān)鍵部件，主要有四種光放大器可實現(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，特別適用于高速長距離通信應(yīng)用。Nakazawa等人在1989年首先用EDFA成功地實現(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、截止波長長、數(shù)值孔徑大、負色散區(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放大補償光纖損耗，不久Mollenauer等人用此方案實現(xiàn)了4000km孤子穩(wěn)定傳輸。 拉曼放大器為發(fā)布式補償放大、波動小、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，很難用于實際通信系統(tǒng)，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，此類放 大器也會用于實際信息傳輸系統(tǒng)中，并將會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。為實現(xiàn)光孤子的長距離傳輸，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、非均勻擾動及由此產(chǎn)生的色散波與不穩(wěn)定性。

　　早期的孤子傳輸實驗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題。為解決這些問題，采用色散位移光纖（DSF），并形成一種DSF和EDFA周期性級聯(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增加放大器間距，稱為預(yù)加重。在用DSF和EDFA長距離孤子傳輸系統(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?，無論何種系統(tǒng)方案，均離不開預(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過大時，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，以減少整個系統(tǒng)成本，但從孤子傳輸性能來看，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。當孤子系統(tǒng)的La確定后，色散長度Ld會隨 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)遠小于1，約等于1或遠大于1等多種情況，與此相應(yīng)的有平均孤子傳輸、動態(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)計中，就幅度加重因子究竟應(yīng)該多大，提出過幾種方案：1）隨脈寬變化確定，預(yù)加 重功率引起的脈沖變窄正好補償損耗引起的脈沖展寬，這種方案稱為動態(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，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)

　　對光孤子通信系統(tǒng)進行控制的常見方法有：頻域濾波控制、時域同步幅度調(diào)制控制和同步相位調(diào)制控制、非線性增益控制、色散補償與色散配置控制等。

　　頻域濾波控制，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）標準具，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，周期性地提取時鐘脈沖，控制接入線路的電光幅度調(diào)制器，對通過調(diào)制器的孤子脈沖進行整形和定時，實 現(xiàn)抑制孤子到達時間抖動的目的。這是一種時域控制技術(shù)，不僅能克服Gordon-Haus效應(yīng)影響，對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)中提取的時鐘脈沖，控制經(jīng)過相位調(diào)制器的光孤子脈沖，對光孤子中心頻率進行調(diào)整，達到抑制孤子到達時間抖動的目的。1993年 Smith對同步相位調(diào)制控制孤子傳輸系統(tǒng)中的孤子定時抖動進行過初步分析，發(fā)現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)中點插入單級相位調(diào)制器，可使孤子到達時間抖動方差降低 80％。

　　采用頻域和時域控制，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)，但由于補償濾波器插入損耗的附加增益，會引起濾波器中 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)增益特性隨光強非線性變化的控制機制，使強光透射率高，弱光透射率低，可以對受擾或畸變的孤子脈沖整形和消除線性色散波，實現(xiàn)孤子穩(wěn)定傳輸。

　　目前應(yīng)用較多的還有色散補償控制技術(shù)，用色散補償正由色散與非線性引起的波形畸變，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并可用普通單模光纖實現(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償、終端正色散補償在線濾波控制混合補償、周期性集總式色散補償、周期性分布式補償?shù)葞追N方案。

　　色散補償控制技術(shù)用于光孤子通信系統(tǒng)可對ASE噪音、孤子相互作用與色散波等進行控制，達到提高系統(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，人們對光孤子研究的領(lǐng)域不斷拓展，取得了重大進展，例如光孤子的WDM（波分復(fù)用）應(yīng)用，準孤子理論，利用光孤子通信實驗系統(tǒng)中，最大放大間距受到限制，如何延長放大間距，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問題。

　　目前對光孤子的研究正在深入進行。由于光孤子通信具有傳輸容量大、距離長、誤碼率低、抗噪聲能力強等優(yōu)點。因而一直受到國內(nèi)外科技工作者的關(guān)注，其研究前景無限寬廣。