《光纤通信》课程设计

3.孤子放大
光孤子损耗的存在导致孤子能量不断地减少，使得补偿色散展宽的非线性自相位调制效应减弱和光脉冲展宽，严重的影响了光孤子的传输距离和容量，因而在光纤通信系统中需要在光纤线路上每隔一定的距离对光孤子进行一次放大。这种放大技术成为了光孤子通信系统传输距离和容量的决定因素。
目前所应用的孤子放大技术有两种：一种是分布式光放大技术，最大的特点是可以对光信号直接进行放大，所使用的是SRS放大器或分布式EDFA。SRS放大的优点是：光纤本身是光放大介质，由于分布式放大，所以周期性的扰动小，只要保证泵浦周期小于8倍的孤子周期，就可保持孤子的稳定传输。SRS放大器的缺点是泵浦效率很低，未达到实用的增益，再者SRS放大器还存在噪音。所以这个方法距离光孤子通信的实用化还有一定的距离。分布式EDFA是使用低浓度的掺饵光纤作为传输介质，优点是增益高，所需的泵浦功率低，同时可使用半导体激光器来实现，通信的容量大，泵站的间隔长，且擦人的损耗小噪音小。另一种是集总式ＥＤＦＡ，在光纤线路中每隔一定的距离接入EDFA来补偿孤子的能量损失。这是目前光孤子通信的应用的主题方案，比较经济实用。他的缺点是孤子幅度与能量起伏较大，会产生色散波，因而稳定性不如分布式的好。
光孤子通信具有传输容量大、距离长、误码率低和抗噪声能力强等优点，一经提出，便显示出突出的优越性和巨大的发展前景。但这一领域目前处于理论研究和实验的阶段，距离码速乘积的上限受到多个参数的影响，包括光脉冲占空比、光纤的有效截面、光纤的非线性系数、光纤损耗、光纤色散、放大器间距、放大器、增益、传输距离、孤子脉宽和接收判决门限等参数，处理ASE噪声与Ｇｏｒｄｏｎ限制，孤子相互作用、系统参数适配、非均匀扰动及由此产生的色散波与不稳定性。近几年来，人们对光孤子研究的领域不断扩展，取得了重大的进展，例如，光孤子的WDM应用和准孤子理论。光孤子通信实验系统中，最大放大间距受到限制，如何延长放大间距，减少放大器数量，降低成本是光孤子通信亟待解决的一个问题。
《光纤通信》课程设计报告
设计名称：光纤中光孤子传输特性
专业：08光信息科学与技术
成员姓名：张XX、胡X、
成员学号：
指导老师：李X
光纤中光孤子传输特性
光孤子理论的出现，对于现代通信技术的发展起到了里程碑的作用。因为现代通信技术的发展一直朝着两个方向的努力：一是大容量的传输，二是延长中继距离。光孤子传输不变形的特点决定了他在通信领域的应用前景。普通的光纤通信必须每隔几十千米设立一个中继站，经对信号的脉冲整形放大误码检查后再发射出去，而用光孤子通信则可不设中继站，只要对光纤损耗进行增益补偿，即可把光信号无畸变的传输到很远的地方。
5．ＡＳＥ噪声控制
对于超长距离的光孤子传输系统，往往使用上百个甚至上千个EDFA进行能量的补偿，因而经过EDFA累加，ASE噪音成为系统的主要噪声源。ASE噪音会引起孤子中心频率的抖动，再加上光纤色散，中心频率抖动将转化为孤子到达接收端时间的抖动。此效应使系统的极限通信距离受到限制，并使输入功率容许变化范围减小。
7．高阶光孤子脉冲脉宽压缩技术
利用高阶光孤子在前１／３周期脉宽变化规律，补充耗损产生脉冲加宽来提高系统的中继距离。
光孤子通信的研究现状和展望
光孤子通信是实现超长距离高速通信的重要手段，被认为是第五代光纤通信系统。今年来美日英相继进行了光孤子通信传输的实验，例如美国的贝尔实验室先后进行了传输４００００ｋｍ，６０００ｋｍ和１５０００ｋｍ的光孤子数据传输实验，证明了光孤子跨洋通信的可能性，该实验室还完成了３２Ｇｂｉｔ／ｓ传输９０ｋｍ无误码的光孤子数据传输实验。日本的KDD公司与美国的AT&T公司合作建设的新的越洋海底光缆，即TPC-6工程，采用了光孤子技术，其传输能力达到了100Gbit/.s，距离在10000km以上。目前光孤子传输实验可实现的最高码率和最大传输距离分别为160Gbit/s和106km。如果采用波分复用技术偏振复用和正交偏振等技术光孤子传输系统的有效码率还可以提高数倍，甚至能达到Tbit/s数量级。未来光孤子传输系统研发的趋势很可能包括以下三方面：（1）重视组合功能部件的研制，即将光孤子通信系统中的半导体激光器、光纤、放大器、耦合器、等集成在几个大的功能块中，使其更趋于实用化；（2）随着光纤孤子激光器的发展，光孤子传输系统很可能想着全光纤孤子传输的方向发展；（3）目前光孤子传输研究中的光孤子仅限一负色散区的光孤子，由于光纤正色散区比负色散区范围大，所以研究在正色散区传输的暗孤子是个很有价值的课题。应为暗孤子传输的距离比亮孤子长约一倍，而且脉冲展宽慢，受光纤耗损的影响比亮孤子也较小，所以暗孤子光纤通信很可能成为未来光孤子传输的主导方向。
根据沿传输系统光纤色散的分布方式，目前提出了终端正色散补偿，终端正色散补偿与在线滤波控制混合补偿，周期性集总式色散补偿，周期性分布Байду номын сангаас补偿等几种方案。色散补偿控制技术用于光孤子通信系统可对ASE噪声，孤子相互作用与色散波等进行控制，打到提高系统传输速率，增大传输距离和通信容量的目的。
（1）终端正色散补偿。即在光纤线路终端接一段短而色散量大的正色散光纤，以补偿ASE噪声引起的孤子到达时间抖动。研究表明，当色散补偿量达到系统色散总量的50%时，对孤子定时的抖动的控制作用最佳。此方案结构简单，经济，并可用于波分复用，以提高通信容量。但是，接入的正色散容量过大会引起孤子展宽，限制控制作用发挥。
（4）周期性集总式色散补偿，即为降低高的集总式色散补偿产生的色散波，沿传输系统周期的接入短的色散参数较低的正色散光纤或其他的色散补偿元件，将集总式补偿变成准分布的补偿，达到更好的补偿效果。
（5）色散管理孤子。他也是一种周期性分布式补偿方案。由于光纤的色散在空间上交替变化，脉冲在传输过程中经历周期性德展宽和压缩，非常的稳定色散管理孤子与等效的常规孤子相比有更好的性能，通过合理的选择色散图，可以使光纤的净色散很低，减少脉冲的Ｇｏｒｄｏｎ抖动，孤子的相互作用也小很多。
2．孤子光源
光孤子源是实现超高速光孤子通信的基础，应能直接产生具有双曲正割形式的基阶光孤子。为保持光孤子的有效地传播不发生畸变，作为孤子光源的激光器必须具有足够的输出功率，且谱线展宽要尽量窄。一般要求谱线展宽宽带要在几兆HZ以下，波长可调。孤子激光器虽种类很多，但应用于通信的激光器必须满足体积小，成本低和寿命长等要求。目前光孤子通信实验系统大多是采用体积小，重复频率高的增益开关分布反射半导体激光器或锁模半导体激光器作为孤子光源，所输出的均为高斯型，因而功率较小。但经光纤放大器放大后，仍可获得足够的功率，以致能形成光孤子传输的峰值功率。
6.色散补偿控制技术——准光孤子传输
在非线性孤子通信系统中，采用孤子效应整形机制，无需3R中继器，技术难度大，成本高。目前应用较多的还有色散补偿控制技术，用色散补偿由正色散与非线性引起的波形畸变，系统结构简单，降低了技术难度，并可用普通单模光纤实现谷子通信，但这时的孤子已不是严格意义上的光孤子，而变成一种非线性类孤子脉冲或准孤子。
光孤子传输
1．系统的构成
将光孤子作为信息的载波可实现光孤子通信，其传输系统如下图：
图光纤孤子传输系统的基本构成
该系统由5个基本功能组成：
１．光孤子发送终端（TX）
２．光孤子接受终端（RX）
３．光孤子传输光纤（STF）
４．光孤子能量补偿放大器（ＯＡ，ＯＡ１－ＯＡｎ）
５．光孤子传输控制装置（ＴＣＳ）
图中ＳＳ为光孤子源，ＭＯＤ为光调制器，ＴＳ为测试设备。
系统中的ＴＸ由超短脉冲半导体或掺饵光纤激光器，光调制器，信息源和光纤功率放大器构成，用于产生光孤子脉冲信号；ＲＸ由宽带光接收机或频谱分析仪，误码仪与条纹相机构成，用于测试系统的传输特性或通信能力；ＳＴＦ由普通单模光纤或色散位移光纤ＤＳＦ构成，OA1--ＯＡｎ由ＥＤＦＡ或ＳＯＡ组成，ＴＣＳ由导频滤波器，强度或相位调制器，非线性元件和色散补偿光纤等组成，设置在沿传输系统不同的区域，用于克服或降低由放大器放大带来的放大自发辐射噪音和相邻的孤子相互作用等对孤子通信容量的限制，提高孤子的传输特性的稳定性。其中孤子光源，孤子放大以及对ＡＳＥ噪音控制技术的选择已成为光孤子传输系统中核心的技术问题。
4.“动态光孤子通信”控制技术
光孤子在传输过程当中，因每段光纤输入的初始峰值功率较大，脉宽先变窄，然后经损耗光纤而逐渐展宽，在恢复到与输入脉宽大致相等的距离上用ＥＤＦＡ放大以恢复原来的功率。这样做的目的是使输入的光孤子预先放大，以保证光孤子脉冲在动态的起伏变化中稳定的传输更长的距离。
另外的一种是采用预加重动态光孤子通信。为了提高光放大器的间距，从补偿损耗压制色散波两方面来考虑，提高注入光孤子脉冲光功率和中继光放大器的输出功率，使其路径的平均功率等于无损耗时光孤子的阀值功率，以提高功率预加重系数。由于注入的脉冲预加重，在系统开始断非线性效应较为显著，而在放大器前非线性较弱，因此在系统中传输的脉冲不再是严格意义上的光孤子，而只是一种动态的非线性准光孤子脉冲。
光孤子形成的机理
光孤子是光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散和SPM共同的作用形成的。光纤中的强度引起的折射率非线性ＳＰＭ效应（光学柯尔效应），在反常区导致的光脉冲压缩可以抵消ＧＶＤ效应形成的光脉冲展宽，从而保持光脉冲传输过程中的形状不变。光孤子的形成机理是光纤中群速度色散和自相位调制效应在反常区的精确平衡。二而光纤耗损造成的脉冲能量的损失，则用每一段传输距离后的光放大器来补偿，保持其非线性效应作用的存在。
（2）终端正色散补偿与在线滤波控制混合补偿，即借助前级滤波器的预处理作用，降低终端正色散补偿光纤的补偿总量和由此产生的色散波，已达到最佳的控制效果。
（3）周期性分布式补偿，即传输系统用长度接近的正负色散光纤连接而成，正色散光纤不仅起到色散补偿作用，而且也是传输链路的主要组成部分，正负色散光纤色散参数和长度依一个孤子周期内平均色散为较低的负色散要求而定，以实现长放大器间距，低噪声孤子稳定传输。
噪音的频域滤波传输技术，在光孤子通信系统中的每个ＥＤＦＡ后进行一个光滤波器，当单个滤波器带宽远大于光孤子脉冲信号的带宽，而全部滤波器级联的线性带宽远小于光孤子脉冲信号带宽时，可以克服Ｇｏｒｄｏｎ限制。由于仅在系统中接入无源光学滤波器，所以称这种控制方法为被动控制。ＡＳＥ噪音可通过色散和非线性相互作用使光孤子频谱结构发生变化和平均频率发生漂移，从而减低滤波器的作用，为此可逐渐改变沿线路设置各滤波器的中心频率，这成为移频引导滤波器。ＡＳＥ噪音的频域传输控制能使噪声能量光孤子均方频率和到达时间抖动大大降低，通信能力提高几倍，突破Ｇｏｒｄｏｎ极限。但是他不能完全滤除噪声，总有一部分噪声要通过滤波器，这部分噪声积累在长途通信系统中是一种致命有害的因素。主动时域控制技术的出现，用同步调制对孤子载波频率进行控制，使被放大的ASE噪声所破坏的光孤子脉冲位置重新定时，进而消除Ｇｏｒｄｏｎ效应造成的影响。实现的方法是沿光孤子传输的路径，每隔几个EDFA接入一个光调制器和滤波器，从光孤子数据中提取出时钟信号，输入到光调制器，对光孤子脉冲进行周期性同步调制，使光孤子脉冲变窄，频谱展宽，频率漂移和系统噪声降低，脉冲位置得到矫正和重新定时。