光纤通信新技术3浅析.ppt

第三讲 光孤子通信技术 光纤通信新技术 光孤子通信 孤立波 1834年，英国科学家罗素（Russell)首次提出了孤立波的概念。 孤立波实际上是某些非线性偏微分方程的一类特解，它是一种在传输过程中形状和速度均保持不变的脉冲波。 孤立波在相互碰撞后仍保持各自原来的形状和速度，好像是些粒子，所以也称为孤立子（soliton)。 孤立波解往往与非线性色散波方程相联系，它反映了自然界一种相当普遍的非线性现象。 光孤子通信 光孤子 1973年首先由Hasegawa（长谷川）提出；1980年Mollenaner在实验上首次证实了光纤中光孤子的存在。 所谓光孤子是经过光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲。 光孤子与一般的光脉冲不同，它的脉冲宽度极窄，而其功率又非常大。 光孤子在传输过程中脉冲不会改变形状，或者会周期性地改变形状；前者称为基态孤子，后者称为高阶孤子。 光孤子通信 光孤子的形成 在光纤中传输高功率窄脉冲光信号时，由于非线性效应(自相位调制SPM)和色散效应(群速度色散GVD)的相互抵消作用，可产生光孤子。 光孤子通信 SPM引起的啁啾（脉冲被线性调频） 色散引起的脉冲展宽 正常色散区 反常色散区 光脉冲在反常色散光纤中的传输 对反常色散光纤，群速度与光波载频成正比。 具有正啁啾（红头紫尾）的光脉冲通过反常色散光纤时，脉冲被压缩。 具有负啁啾（紫头红尾）的光脉冲通过反常色散光纤时，脉冲则被展宽。 光孤子通信 光孤子的形成 考虑到非线性效应，传输常数可展为以下级数： 适当选择相关参数，可使光纤色散和非线性效应相互抵消，因 而输入脉冲宽度保持不变，形成稳定的光孤子。 与色散有关 与非线性效应有关 光孤子的传输特性 1.光强很低时（N1），脉冲主要表现 出光纤的色散效应，不存在光孤子。 2.当N=1时，对应于一阶光孤子，非线 性正好抵消了由于光纤色散引起的展宽 效应，结果在光纤没有损耗的情况下，脉冲沿光纤传输时波形保持不变。 光孤子的传输特性 3.当N＞1时，产生高阶光孤子（N阶）， 脉冲形状在传输过程中显示出周期性的变化。 光孤子通信系统的组成 孤子源：掺饵光纤孤子激光器、锁模半导体激光器 输出功率较大，脉冲很窄（ps量级）的变换限制双曲正割或高斯型超短脉冲串。 孤子能量补偿放大器：EDFA 光强度下降到一定值时,非线性效应减弱,影响孤子形状. 光纤传输系统：孤子传输光纤，孤子脉冲信号检测接收单元。 图 7.37 光孤子通信系统和实验系统 (a) 光孤子通信系统构成方框图； (b) 循环光纤间接光孤子实验系统图 光孤子通信系统的容量 系统 传输速率 （Gbps） 传输距离 （km） 光纤线路直接实验系统 10 1000 20 350 循环光纤间接实验系统 2.4 12000 改进实验系统 10 1000，000 光孤子通信的优越性 光孤子通信克服了色散的制约，适用于超长距离、超大容量通信系统。 容量大、频带宽、增益高，可从根本上改变现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗接口不方便 。 没有使用电子元件，可以工作在很高的温度下工作，甚至是1000℃的高温。 事实上,对于单信道系统来说,光孤子系统性能不如零色散波长的常规系统,但由于可用于DWDM 系统,因此具有更广阔的应用前景. 与普通光纤通信系统不同的技术问题 EDFA（掺饵光纤放大器） 光孤子在使用EDFA的系统中能稳定传输的特性是光孤子通信能实用的一个关键。因为光纤的损耗不可避免的消耗孤子能量，当能量不满足孤子形成的条件时，脉冲丧失孤子特性而展宽，需要通过EDFA给孤子补充能量，孤子即自动整形。利用孤子这一特性，可进行全光中继，不再需要像常规光纤通信系统那样在中继站进行光-电-光的转换，实现了全光传输，一般每30～50km加一个EDFA，是一种集总式能量补充方式。 与普通光纤通信系统不同的技术问题 预加重技术 预加重技术，也称为动态光孤子通信。在放大器的间距与孤子的特征长度可比拟时，如果使进入光纤的脉冲峰值功率大于基态孤子所要求的峰值功率，则所形成的孤子也能长距离稳定传输，这种技术通常被称为预加重技术，也称为动态光孤子通信。 与普通光纤通信系统不同的技术问题 抑制戈登-豪斯效应 所谓戈登-豪斯效应是一种抖动。放大器的自发辐射噪声，是一种不可避免的热噪声，它与孤子相互作用后，造成孤子中心频率的随机抖动，进而引起孤子到达接收端的抖动，即戈登-豪斯效应。这一效应会限制孤子传输系统的容量(3×104Gbit／km），是放大器间隔等系统指标的重要因素。解决的办法是在放大器后加一个带通滤波器即能较好的抑制戈登一豪斯效应。