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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(jìn)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(jìn)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
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(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。
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欢瑹o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(dāng)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(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(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(jìn)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(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(jìn)行整形和定時，實 現(xiàn)抑制孤子到達(dá)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(jìn)行調(diào)整，達(dá)到抑制孤子到達(dá)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(jìn)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(dá)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。
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