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的研究進展，指出了現階段有待解決問題，最后展望了光孤子通信發展前景。

　　關鍵詞：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 技術便是解決這一問題的手段之一。光孤子通信技術一經提出，便顯示出突出的優越性和巨大的發展潛力，并引起人們的廣泛關注。雖然這一領域目前仍處于理論研 究和實驗的階段。但可以預計其很有可能將成為未來超長距離信息傳輸的主要手段。

　　1　光孤子通信系統

　　長距離光孤子通信系統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

　　1.2　光孤子傳輸用光放大器

　　理想的孤子通信系統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定傳輸的特點。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，能實現高速大容量通信。但在實際的孤子通信系統中，往往存在高階色散與非線性損耗及系統部件參數的隨機變化等;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，還引入自發輻射噪聲。光孤子的穩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中用于補償孤子傳輸過程中的能量損耗，是實現高速長距離通信的另一關鍵部件，主要有四種光放大器可實現光孤子放大，它們是半導體光放大器(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境溫度很敏感，穩定性差。

　　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用。Nakazawa等人在1989年首先用EDFA成功地實現了20GHz的孤子穩定傳輸。

　　D-EDFA采用摻Er3+濃度低、增益系數低、截止波長長、數值孔徑大、負色散區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，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。

　　Shiojiri和Fujii提出采用增大孤子幅度方法來增加放大器間距，稱為預加重。在用DSF和EDFA長距離孤子傳輸系統中，合理選擇方案和系統參數是保證脈沖穩定傳輸的前提。然而，無論何種系統方案，均離不開預加重措施的使用。

　　但是在采用預加重措施之后，在傳輸距離L過大時，脈沖仍將失去孤子特性。為此在傳輸系統中應考慮另一個重要參數，即放大器間距La。放大器間距與系統中 的許多參數如光纖損耗、色散、脈沖寬度、預加重因子等有關。從應用角度看，La應盡可能地大，以減少整個系統成本，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，有利于孤子傳輸的穩定。對于目前考慮的孤子通信系統，放大器間距一般取幾十公里。當孤子系統的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有可能出現遠小于1，約等于1或遠大于1等多種情況，與此相應的有平均孤子傳輸、動態孤子傳輸 和絕熱孤子傳輸等不同傳輸方式。

　　預加重系統設計中，就幅度加重因子究竟應該多大，提出過幾種方案：1)隨脈寬變化確定，預加 重功率引起的脈沖變窄正好補償損耗引起的脈沖展寬，這種方案稱為動態孤子通信方案。這種方案是基于孤子幅度在一定范圍內變化時，表征孤子特征的面積不變定 理，其優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定。

　　3　光孤子通信系統控制技術

　　對光孤子通信系統進行控制的常見方法有：頻域濾波控制、時域同步幅度調制控制和同步相位調制控制、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每一光纖放大器(EDFA)后插入光濾波器，稱為導頻濾波器，以濾除EDFA產生的ASE噪聲邊帶，實現 穩定傳輸。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，基本結構是一種法布里珀羅(E-P)標準具，由兩塊高反臘平行 鏡片構成腔體。

　　為克服ASE噪聲和Gordon-Haus效應對通信容量的限制，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制器，對通過調制器的孤子脈沖進行整形和定時，實 現抑制孤子到達時間抖動的目的。這是一種時域控制技術，不僅能克服Gordon-Haus效應影響，對抑制相鄰孤子的相互作用亦十分有效。同步相位調制控 制方案是利用從孤子傳輸系統中提取的時鐘脈沖，控制經過相位調制器的光孤子脈沖，對光孤子中心頻率進行調整，達到抑制孤子到達時間抖動的目的。1993年 Smith對同步相位調制控制孤子傳輸系統中的孤子定時抖動進行過初步分析，發現在傳輸系統中點插入單級相位調制器，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，提高光纖孤子通信系統通信容量的方法，是孤子傳 輸控制的兩種基本方法。采用濾波器構成的帶寬限制頻域控制系統，能扼制Gordon-Haus效應，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，導致系統穩定下降，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，實現孤子穩定傳輸。