第九章全光通信

第九章全光通信 9.3 光孤子通信 9.3.1 光孤子 9.3.2 光孤子形成机理 9.3.3 光孤子的传输 9.4 光交换技术 9.4.1 光交换的特点 9.4.2光交换技术的基本原理 9.4.3光交换器件 9.4.4 光交换系统 9.1 全光通信的概念及关键技术 9.1.2 实现全光通信的关键技术 9.2 光纤的非线性效应 9.2.1 光纤中产生非线性效应的机理 9.2.2 非线性效应的应用返回

9.1 全光通信的概念及关键技术 9.1.1 全光通信的概念众所周知，在光纤通信的系统中，限制传输距离的因系是光纤的损耗和色散，除此之外，光纤的非线性效应也是影响光纤传输特性的一另重要因素。但在光放大器（特别是EDFA的研制成功）基本解决了光纤损耗问题之后，系统中无需在每个中继站进行信号定时再生，而直接将光信号放大，取代传统的经过光/电转换、电放大和电/光转换的电子中继器，从而实现自始至终的光传输方式，再加之光复用、光交换和光的信息处理技术，使之实现任何点到点之间的光信息或交互传递过程，好实现全光通信

9.1.2 实现全光通信的关键技术 全光通信中采用了光复用、光交换和其他光处理技术，从而实现任何点与点之间的全程光信号的交互与传输。这意味着点对点的信息传递，只由光载波来完成，中间无需任何光- 电- 光的变换。它的进展完全取决于光直接放大、光补偿（色散和非线性）以及高速光调制等一系列技术的进展。下面逐一加以探讨。 1．光放大与全光中继实现点对点全光通信的关键之一是要以光放大器作为全光中继器取代传统的光-电-光中继器，它一方面起到了克服光/电、电/光转换中继器造成的“电子瓶颈”问题之外，还能使传输线路对所传送的信号“透明”，即与信号的传输率和调制方式无关，由此可知（1）系统易于实现升级，比如提高线路的传输速率，只需要通过变换光端机便可实现。（2）系统易于实现波分复用，例如传送N路波分复用信号。（3）提高系统的发射光功率和光接收灵敏度。

9.1.2 实现全光通信的关键技术 早在20世纪80年代，人们就开始了光放大器的研究，先后进行一系列的光放大实验、随着在1.55μm波段的激光技术的不断成熟，零色散波长移至1.55μm的色散位移光纤的开发成功，使掺铒光纤放大器的发展应用前景十分好看，目前已商用的EDFA产品的指标可达到：增益大于400dB，饱和输出功率大于17dBm，噪声指数小于4dB，一些光传输网络已应用EDFA进行光中继或光功率补偿，最高的传输率已超过1000Gbit/s（波分复用方式），最长的传输距离已达10 000km量级。光放大器用于光通信中作为全光中继器时，还有一个不可忽视的问题，即全光中继器的监控技术。由于全光中继器远离端站，它的工作状态和状态控制对于保证系统正常工作具有十分重要的意义，目前研究实施的监控制方案种类很多，相信在未来的几年里，随着光中继器监控技术的发展，在全光通信系统中，会实现实是时、可靠、完善的监控任务。

9.1.2 实现全光通信的关键技术 2．色散补偿和制光纤非线性效应光纤损耗、色散和非线性效应是影响光纤传输的能力的三大因素，随着光放大器的研制成功，在系统中采用光放大器已经能够基本解决光纤损耗的影响，但点对点的光纤传输系统性能仍受限于光纤色散和非线性效应（1）色散补偿和抑制光纤非线性效应由于标准单模光纤的零色散波长在1.31μm处，而在1.55μm波长处的色散值高达16~20ps/(km·nm)，因而对于采用1.55μm工作波长的EDFA的传输系统而言，似乎最佳方案是选择色散位移光纤作为传输光纤，然而由于在波分复用系统中存在光纤非线性效应而产生的四波混频，从而限制了WDM技术的运用，因此选择色散系数尽量小，而又不为零的光纤作为传输光纤为最佳方案，而对于现有已铺设的大量标准光纤系统来说，可通过采用量子阱激光器和外调制技术，减小使用DFB激光器和直接调制所带来的高速信号的啁啾声，从而减小色散影响，除此之外，还可以利用色散值和为负的色散补偿光纤来补偿标准光纤的正色散，以达到减小色散的目的。

9.1.2 实现全光通信的关键技术 （2）光纤的非线性效应当入纤光功率比较大时，光与光纤介质相互作用而产生的非线性高阶极化，会导致受激喇曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS），四波混频（FWM）及光克尔（Kerr）效应，这就是所谓光纤非性效应。特别高容量的全光通信系统中，都采用了波分复用加光放大器方式，由于光放大器中存在被放大的自发辐射（ASE），因而当光纤处于非线性工和状态时，会造成信道串音、ASE的迅速增加，从而影响系统性能，由此可见，光纤非线性严重限制全光传输系统优势的充分发挥，因而抑制光纤非线性效应是很必要的。然而任何事物都是一分为二的，在某种情况下，可以利用光纤的非线性效应和光纤的色散效应的相互抵消作用一实现光孤子的传输等。

9.1.2 实现全光通信的关键技术 3．光交换光交换技术是实现一光通信的关键技术之一，与电子式交换相比，光交换无须在光纤传输线路和交换机之间的设置光/电或电/光变换，不存在“电子瓶颈”问题，它能允分发挥光信号的高速度、宽带和无电磁感应的等优点，综合迄今为止的研究成果，已有光交换方式大致可分为五种：光空分交换、光时分交换、光波分交换、复合型光交换和自由空间关交换（上述概念交在光交换一节中详细阐述），因自由空间光交换具有1mm范围高达10μm量级的分辨率等显著特点，而被认为是一种很有前途的光交换方式。目前已经研制出了从4×4到128×128甚至更多端口数的交换机模型，但由于不少关键技术还没有完全突破，例如光逻辑控制（通过光信号自身的处理去控制光信号的交换）等技术还没有得到很好的解决，所以光交换技术的真正实用化还尚需时日。

9.1.2 实现全光通信的关键技术 4．光复用为了充分利用光纤的传输带宽资源，充分发挥其大容量的优势，因而在全光通信系统中采用光复用技术，通过传送不同波长(频率)、不同类型或不同速率信号，完成局域网、城域网及全国的骨干网之间的分路、合路与组网工作。从复用原理来划分，光复用方式可采用光波分复用和光时分复用等方式，其中使用掺铒光纤放大器的光波分复用系统被广泛认为是挖掘利用光纤通信潜在容量的最好方式．根据报道，在1500～1600nm的低损耗光纤传输窗口(EDFA工作波段)，以国际电联建议的最小波长间隔0.8nm计算，可容纳125个信道．如果每个信道传输10Gbit/s的信息，则一根光纤上传输的信息速率将达1250Gbit/s，这是一个十分诱人的数据。

9.1.2 实现全光通信的关键技术 5．全光纤器件尽管使用非光纤型的激光器、控测器及非光纤型的光放大器，仍然不失全光通信的特点，但当高性能的半导体光源与低损牦、小色散的光纤连接时，其连接性能比使用光纤型的光源与光纤连接时的性能逊色，因而当系统中使用均由光纤制成的激光器、传输线和探测器时，则构成光纤一体化的全光通信系统，该系统具有良好的传输特性，由此可见，全光纤型器件对全光通信技术的影响。光纤光栅是最具代表性的全光纤型器件，利用它优良的选频特性，可制成全光纤的带通或带阻滤波器、全光纤激光器和波分复用／解复用器等，还可以作为色散补偿和其他应用的重要器件．因此人们普遍认为光纤光栅是继EDFA之后光纤通信发展的又一里程碑。

9.1.2 实现全光通信的关键技术 6．光互连和光处理目前，在强度调制光通信系统中，普遍采用电互连和电处理技术，可见要实现白始白终的光信息传输，则必须要求以光互连和光处理技术取而代之，从而实现全光通信。所谓光互连是指在机架之间、设备之间、电路板之间、功能块之间以及；芯片内部的各种光学连接过程中，信号问具有无感应、无干扰、不存在分布参数而引起的延迟问题，无需接地完成高密度并行连接和空间多点间的复杂连接．通常可通过光纤或集成光波导来实现光互连，也可以由自由空间或其他均匀介质来完成，一般机架或设备之间的光互连可以通过光纤来实现，但当芯片内部需进行光互连时，则要求器件的尺寸小、功耗低，因而芯片内部的光互连实现难度较大。

9.1.2 实现全光通信的关键技术 6．光互连和光处理光处理的内容很多，例如前面提到的光交换、光复用、光调制和光放大等均属于光处理的范畴．目前有些技术已经步入成熟阶段，但像全光信息再生、全光时钟提取、光集成、光存储、光计算等更高层次的光处理技术还正在探索之中，相信随着光子技术与光电子技术的不断进步，全光通信的研究也将进一步深入，最终宽带、大容量的通信目标也将成为现实。

9.2 光纤的非线性效应 9.2.1 光纤中产生非线性效应的机理光纤出现非线性的原因，可以这样来说明，当一束色光作用在介质上时，光的电场强度矢量将使介质中的原子或分子发生位移或振动，从而出现了电偶极子，这些电偶极子将辐射电磁波，这种感生出来的电场与原来的入射光波电场叠加，形成一个总的电场，这个总电场强度与极化强度矢量P之间存在如下复杂关系（9.1）式中, ε0 ——真空中的介电常数； x(1) ——线性电极化率； x(2) ——二阶非线性电极化率； x(3) ——三阶非线性电极化率。

9.2 光纤的非线性效应 通常 x(1) >> x(2) >> x(3)，由式可见，在光波电场E较弱的情况下，式中第二项、第三项原影响就弱，可以忽略，P与E之间呈线性关系，当场很强时，例如，用激光射在介质上，由于激光光束是在时间、空间、频率上的高度集中，从而光场很强，式中第二、三项的作用不能忽略，因此，式中P与E之间呈非线性关系，但由于二阶极化率x(2) 只有在具有非对称分子结构的介质材料中方不为零，才可以引起二次谐波效应和光学和频效应，然而石英光纤材料为各向同性舒介质，属于对称分子结构，因此石英光纤中通常不会出现二阶非性效应，这样石英光纤中最低阶的非线性效应来自三阶极化率x(3)，它可以导致产生三次谐波或四次混频以及非线性分折射现象。

9.2 光纤的非线性效应 1．非线性折射（9.3）由电磁场理论知道，介质中电位移矢量D与E、P之间的应满足如下关系式中， ——由电磁场理论知道，它为线性状态下的相对介电常数； ——是在强光作用下，一三阶非线性极化系数有关的介电常数附加项。 D =εE =ε0E+ P （9.2）在目前情况下，式中的P应由式（9-2）来决定，又因光纤是由石英为基础材料来制造的，而石英等介质是各向同性的，因此，式（9-1）中二阶非线性电极化系数，如果式（9-1）等式右端只取第三项，则代入式（9-2）并经化简整理后可得

9.2 光纤的非线性效应 将式（9-3）和（9-2）相比较，可得这就是在强光作用下，光纤折射率的表达方式，由式（9-4）看出，这时，光纤的折射率不再是常数，而是与光波电场E有关的非线性量，当外加光波电场变化时，光纤的折射率就将随E作非线性变化。又因电磁场理论知道，介质的折射率n与其相对介电常数间有如下关系比较上述两式，可得折射率随强度的变化直接导致许多种非线性效应，其中最重要的是相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）将上式用级数展开、化简、并令可得（9.4）

9.2 光纤的非线性效应 （1）自相位市制自相位调制是指光波在光纤的中传输地，由于光波强度变化而产生的自身相移，其大小可用光波的相位变化来描述（9.5）其中L为光长度，由此可见，与强度有关的非线性相移为（9.6）正是这部分非线性相移，可以引起超短脉冲以及光纤的反常色散区中产生光孤子，具体内容将在随后的一节中进行介绍。

9.2 光纤的非线性效应 （2）交叉相位调制交叉相位调制是批在多个光波同时传输时，由一个光波强度变化所引起的其了他光波的非线性相移，如果现有两光波沿x方向同向传输，那么式（9-1）中的电场E可以由这两个同向传输的光场相互迭加来计算，即（9.7）其中代表x方向的单位向量，ω1和ω2分别表示两光波的频率，因而频率ω1处的非线性相移可由下式给出：如果将上述与式（9-6）进行比较，可知式（9-7）中的第一项代表自相位调制，那么第二项则为交叉相位调制，特别值得注意的是当两光波强度相等时，XPM对于非线性的相移的贡献为SPM的两倍

9.2 光纤的非线性效应 2．四波混频四波混频又称之为参量过程，它们分别是由二阶极率与三阶化率所引起，故而参量过程又分为二阶参量和三阶参量过程。然而正如前而所述，一般在石英光纤中不存在由二阶极化率引起的二阶参量过程，却存在四种光波作用的三阶参量过程，从而产生四小波混频和参量较放大等非线性现象，下面就四波混频进行分析。由前面的分析可知，光纤中的四波混频可以用式（9-1）中的三阶极化的项来描述，即（9.8）

9.2 光纤的非线性效应 若相互作用的四种光波均为沿z方向的偏振波，其振荡频率分别为ω1，ω2，ω3和，那么四种光波的合成电场分量可以用下式表示：（9.9）其中，i代表第I种光波，因而将式（9-9）代入式（9-8），可将PNL表示为（9.10）式中，Pi(i = 1,2,3,4)代表涉及三个电场乘积的许多项，例如，P4可以表示为（9.11）其中，

9.2 光纤的非线性效应 由前面的分析可知，式（9-11）中与E4相关的各项代表SPM和XPM效应，其余的项则代表四波混频，而四波混频效率则取决于E4与P4之间的对相对相位，因而只有当相对相位接近于零时，也就是要求频率以及波矢量达到匹配的情况下，才可以获得最高效率的四波混频，如果从量子力学的角度来分析，四波混频是出现在一个或多个光波的光子湮灭，同时具有新频率的光子产生之时，并在此过程中，其能量和动量都保持恒定。下面进一步观察式（9-11），可以看出等式的右边第二项代表三个光子将能量转移一个光子上的混频情况，该光子所获得的频率为此时如果相互作用的光波的频率时，则在光纤中便产生三次谐波，若光波频率为时，则将出现频变换现象

9.2 光纤的非线性效应 通常由于光纤中这咱相位严格匹配的条件很难得到满足，因此其效率不高，而等式的第三项则代表频率分别为ω1和ω2的两个光子湮灭，而产生频率为ω3和ω4的两个光子的情形，即新光子应满足若要求获得高效率的四波混频，则在这一过程中相位必须满足△k=0 的匹配条件，事实证明，该条件是很容易达到的，正是利用这一原理，可以采用一束频率为ωp（即ω1＝ω2）的强泵浦光，而在频率为ωs（即ω3）和ωa（即ω4）处获得两个边带，即一个信号带，另一个闲频带，而且这两上边带的频率间隔达到下式的要求：

9.2.2 非线性效应的应用 由于光纤的参量过程起因于光纤材料的束缚电子对施在它之上的强电磁场的非线性响应，其具体表现为光纤中感应极化矢量P与电场E不成线性关系，这样在四种光波的相互作用之下，便可能产生三次谐波或四波混频以及非线性折射等非线性效应。利用这些非线性效应，可以获得参量放大，自相位调制和交叉相位调制等效果，下面逐一地进行分析。 1．参量放大根据前面介绍的四波混频的基本原理，所谓的四波混频，是指将一强泵浦光的能量转移至频率为和两光波的过程。如果在光纤中仅存在泵浦光波，其泵浦功率为P0=P1+P2，并且满足相位匹配条件，这样若输入频率为呐的信号光波，那么由于该信号光波接收到泵浦光波的能量，从而使之放大，这种放大即为参量放大，其增益即为参量增益，利用这一原理，可研制出参量放大器．

9.2.2非线性效应的应用 由于在这一过程中的关键就是必须满足相位匹配条件，然而在实际光纤传输中，因为光纤纤芯直径不可能不变，因而难以实现在长距离传输中保持相位匹配，因此只能在有限的一段距离之内实现相位匹配，据有关报道，目前在现场实验中，是利用1.319μ波长的泵浦来取得相位匹配，其泵浦脉冲功率为30~70W，实验中所使用的光纤长达到30m，同时 P0泵清浦功率（W）图9-1 参量放大器增益测试曲线采用波长为1.38μm的连续波作为信号光，在图9-1中给出参量放大器的增益Ga与信号功率P3以及泵浦功率P0，之间的关系．从图中可以看出，随着泵浦功率的增加，放大器的增益也随之增加，但随着输入信号功率几的增加，放大器的增益乱却显著减小。

9.2.2 非线性效应的应用 同时，我们也注意到，当P3 = 0.26mW时，放大器的增益乱可达到5×104，大致折合46dB，充分显示出光纤作为参量放大器的潜在能力。现在关键的问题是在于是否能满足相位匹配条件。由于在单模因素(如压力或温度)发生变化时，可使频移在3-4THz范围内进行调整，因而可以通过调节在光纤上所施加的压力来控制频移，以达到相位匹配的目的。近来有报告显示，利用1.319Hm泵浦光源使由DFB半导体激光器输出的1.57μm光信号放大了37dm。这样可以在光纤通信系统中起到中继放大的作用．但与前面所介绍的掺铒光放大器相比，其带宽要小得多，从而限制了其应用。另外，在多信道环境下，参量放大过程又会引起串扰，计算表明，对于信道间隔为5GHz的100路通信系统，每一信道的输入功率应低于1mW，才能使串话水平低于1%。

9.2.2 非线性效应的应用 2．自相位调制所谓光纤的自相位调制，就是在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使光纤中所传光脉冲的前、后沿的相位相对漂移，这种相位的变化，必对应于所传输光脉冲的频谱发生变化．由信号分析理论可知，频谱的变化必然使波形出现变化，从而使传输脉冲在波形上或被压缩，或被展宽．这种非线性效应仅仅是由于强光场下，光纤的折射率随之变化而产生的，称之为纯自相位调制，除此之外，如果将光纤色散的因素考虑进去，则还有色散性自相位调制。

9.2.2 非线性效应的应用 （1）纯自相位调制由式(9-4)可知，当作用在光纤上的光场很强时，光纤的折射率将呈现非线性。设入射光波波长为λ，光纤长度为L，入射光强是一个随时间t变化的量，则由式（9-4）可得到变化的将引起的光纤折射率的变化为下面，导出上述这个折射率的变化将引起的相位变化。由电磁场理论知道，单位长的相位移（即相移常数）为而故因而，长度为L的光纤由于折射率变化了，从而引起的相位变化为

9.2.2 非线性效应的应用 由式看出，随着光脉冲波形中的不同时刻t，脉冲波形各处的相位就按上式描述的规律来变化，这就是说，脉冲波形的相位受到了调制，这个调制是因为入射光波自身的电场值随t变化而引起的频谱，根据信号分析理论，可以用相位调制的时间变化率来描述某点处脉冲的瞬时频移，即

T/T0（T0-脉冲宽度） 9.2.2 非线性效应的应用由引产生的这些频率分量可使光脉冲的频谱展宽，而且展宽量与初始脉冲波形有关在图9-2，中用m =1为高斯波形，m =3为超高斯波形，由此可见，m越大则越接近矩形脉冲，其前沿、后沿越陡，因此相位变化量ΦNL正比于输入光强度过，因而其随时间的变化同样也正比于脉冲强度，从图中以清楚看出： ①在由E（t）变化时引起的自相位调制的影响下，脉冲波形的前沿的后沿的相对相位关系发生的相应变化，即在接近前沿时，瞬时频率变化为负，接近后沿瞬时频率的变化为正。 ②脉冲波形的前沿、后沿越陡，则在系统中所产生的啁啾声越大，因而啁啾声仅存在于超高斯的脉冲边沿附近。图9-2 高斯脉冲（虚线）与超高斯脉冲（实线）的相移和频率啁声随时间的变化曲线

9.2.2 非线性效应的应用 （2）色散性自相位调制 ①基本原理由于单模光纤中存在材料色散，即纤芯的折射率随传输光波的波长而变化，这样不同波长的信号经过光纤传输时，其传输速度也不同，又由于光纤通信系统中以数字信作为其传输信号，它含有多种频率成分，传输脉冲愈窄，所含的频率成分愈丰富，因而接受时会出现脉冲展宽现象。如前面分析那析，群色散可以用引起群时延对波的微分来描述，即其中，是光波材料系数。这样根据上式，以及所使用的光纤材料、波导结构和光波波长的不同，可以将群色散分为正常色散区和反常色散区

9.2.2 非线性效应的应用 ②正常色散区及常色散区所谓正常色散区是光纤材料色散系数的情况，此时群色散；而反常色散区是指光纤的材料色散系数的情况，那么群色散，但无论是正常色散还是反常色散，都会使脉冲出现展宽，然而当光波是以强光场输入到光纤中去时，由于存在自相位反调制现象，这样使得群色散与自相位调制时同时作用于传输光脉冲，从而在正常色散区，群色散与SPM合成效应表现出光脉冲压缩现象。 ③群色散与自相位调制相互影响从前分析可知，当以强光场的光波在光纤中传输时，一方面存在光纤色散的影响，同时另一方面也存在非线性效应的引起的自相位调制SPM，为了详细地描述群色散情况下，自相位调制在时域及频域所发生变化，因此引进一个参数为N，用它们来判断群色散与自相位调制谁占主导地位，一般N<<1时自相位市制SPM不存在

9.2.2 非线性效应的应用 ④光脉冲压缩当光纤材料在强光作用下，便会呈现出非性线性现象，从而引起光脉冲产生啁啾声，其中正啁啾声促使光脉冲的前沿频率下减小（称为红移），负啁啾使得光脉冲的前沿频率增加（称为蓝移），同时注意到由于光纤中群色散的存在，无论是正常色散还是反常色散，都会使光脉冲中的不同频率分量的传输速率不同，其中得利用色散，使非线性效应所产生的啁啾造成的脉冲前沿红移，即频率减缓，同样利用正常色散也可以达到减缓非线性效应所产生负啁啾，导致脉冲沿蓝频率增加，这两中情况都使得脉冲前沿延迟，如果延迟量适中，则可使光脉冲的前沿贴近后沿，这样光脉冲得以压缩。

10.2.2 非线性效应的应用 图9-3给出了光纤种 — 光栅对脉冲压缩器的结构图，从图中可以看出，输入光波脉冲首先经过一个光透镜的聚焦并被耦合进保偏单模光纤。由于单模光纤中存在色散，从而使得输出光脉冲呈现展宽现象，随后将该光脉冲送到光栅，经过反常色散区而被压缩，最后脉冲又被Ｍ1透镜反射回光栅，这样对通过稍加调整M1的倾斜角，便可以从中将压缩光脉冲分离出来，实验表明：如果采用105m的光纤间距为7.24m的光栅时，则可将波长为532nm，输出功率峰值达240W，N=145的Nd:YAG激光器的倍频输出脉宽度由33ps压缩到0.41ps。这中间脉宽压缩比达到80倍之多，显而易见，光纤 — 光栅对脉冲压缩技术的提出，有效地提高了脉宽压缩比，从而获得更窄的光脉冲。图9-3 光纤 — 光栅对脉冲压缩器

9.2.2 非线性效应的应用 3．交叉相位调制当两个或多个光波同时在非线性介质中传输时，由于存在自相位调制的原因，故一个光波幅度调制将引起对其他光波相位调制，这就是所谓的交叉相位调制（XPM），由此可见，交叉相位调制，总是与相位调制SPM相伴而生；而且光波的相位调制不仅与自身光强有关，而且还决定于其他传输光波的强度，因而光纤中所生的非线性效应完全取决于其中各传输光波的性质，下面就针对不同情况进行简单的分析。

9.2.2 非线性效应的应用 （1）不同频率光波之间交叉相位调制如果有两束强光波同时在无损耗、无色散的理想光纤中同向传输，那么由于其幅度调制使得光纤材料呈现非线性现象，这样两束光波的场分布可用下式表示：则它们经相互作用之后，将满足下列耦合方程式中，τ=t – z/c为延迟时间，n2为非线性系数，从上式可以看出右边的第一项是表示处相位调制的效应，第二项是表示交叉相位调制效应，而且可以很容易地找出它们之间的关系，即对其他光波交叉相位调制效应是对自射相位调制的两倍。这样，第二束光波的相位调制一方面还会受到来自第一束光波对其进行相位调制，即

9.2.2 非线性效应的应用 上式中为两束光波在光纤中传输所引起的折射率变化．由此可见，如果在多信道传输系统中，由于几种光波频率信号同时在一根光纤中传输，特别是当信号是以角度调制的方式传输时，那么任何一个信道中的光功率的波动都会引起交叉相位调制，从而导致其他信道的相位波动。为此人们进行了验证性实验．在实验中所使用的是1.31μm和1.55μm两只In-GaAsP激光器，采用光波分复用方式，将两不同波长的光波耦合进单模光模中，经15km的传输之后，发现如果一个信道中的光波功率改变1mW的话，足以使另一信道中的光信号产生1.4o的相移。这个实验充分表明，在幅度调制系统中，由于存在着较大的幅度变化，从而会引起由交叉相位调制而带来的相位噪声，严重时会影响到系统性能，因此该噪声对相干检测系统的影响很大。

9.2.2 非线性效应的应用 （2）不同偏振方向光波之间的交叉相位调制当同向传输的不同偏振态的两光波在非线性介质中传播时，可引起介质折射率的改变，从而产生光的双折射现象，这就是所谓的光学Kerr效应．因此可以利用这一效应，让一束强的泵浦光在各向同性介质中传输，用它所引起的双折射来改变一较弱的取样光束在介质中传输时的透过率，从而制作出微秒级的时间光开关，其原理示意图如图9-4所示。图9-4 Kerr开关示意图

9.2.2 非线性效应的应用 图中的泵浦光与取样光波均为线偏振光，并且两光波的偏振方向之间存在45o的夹角，这样泵浦光与取样光可以同时被耦合进光纤传输，又由于在光纤的输出端放置了一个与取样光偏振方向垂直的偏振片，因而在无泵浦光情况下，取样光被阻断，探测器上无信号光可供接收，然而当打开泵浦光时，由于泵浦光的强光场作用的结果，使得光纤材料成为非线性介质，从而产生非线性双折射，使取样光的平行与垂直偏振分量的折射率发生变化，因此，这样使取样光的偏振态出现改变，致使一部分取样光强能够通过偏振片，被检测器所接收。图9-4 Kerr开关示意图

9.3 光孤子通信 众所周知，光纤的损耗和色散是制约传输系统中继距离的主要因素，特别是对于传输速率在1Gbit/s以上的传输系统，由于光纤固有色散的影响，使得所接收的光信号中存在脉冲展宽现象，严重地限制了系统的传输距离．可见色散是高速光纤数字通信系统中的主要问题所在，因而人们设想是否能够采取某种新技术，使得在光纤中所传输的光信号能够保持其脉冲波形的稳定，从而提高系统的传输距离，这种技术是通过光孤子来实现的，因而称为光孤子通信技术．在此将就光孤子的产生、传输原理以及实验系统特性进行简要的分析。

9.3.1 光孤子 依据非线性理论，我们知道在光纤的反常色散区，由于光纤色散的与非线性效应的相互作用，从而形成一种独特的非线性现象，这种现象就是光孤子，这是一种可长距离地、无畸变传输的电磁波，即使两波相互碰撞，也能保持彼此相对独立、互不影响。从物理学观点来看，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物，从数学上看，是某些非线性偏微分方程的一类稳定的、能量有限的不弥散的解。也就是说，它能始终保持其波形和速度不变，像粒子那样的波包。又由于孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度，好像是一些粒子一样，故人们又把孤子波称为孤立子。由于孤立子的具有的这种特殊性质，使它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学、非线性光学中获得广泛应用，当然，光孤子在光纤通信中的应用，更得到通信领域工作人员的高度重视下面，将通过光纤中色散效应和自相位调制效应这两个方面的影响，来说明光孤子在光纤中的形成的机理。

9.3.2 光孤子形成机理 由通信理论知道，相位的变化必然应于频率变化。根据频率和相位间的微分关系，可得于由于相位变化引起的频率漂移为 (9-12) 这种频率漂移作用将对光脉冲产生如下的影响脉冲前由于在脉冲前沿，E(t) 随时间t是增加的，这时将这个结果代入式（9-12）中，这时为负，即对应于脉冲沿前沿在这里，频率应下移。脉冲后沿同样，由于这是E(t) 随t 是减小的，这时同样将这个结果代入式（9-12）后知道，这时为正，即这时频率将在上移。

9.3.2 光孤子形成机理 接着，再讨论光脉冲前、后沿频率下移、上移对脉冲宽度带来的影响。如果这时处在单模光纤的正色散区，有些书上称为色散区，即于是光脉冲的前、后沿群Vg将出现如下的变化。脉冲前沿：由上在讨论知道，脉冲前沿频率将下移，即将是负值，因此亦应为负值，这就是说，在脉冲前沿这段时间里，随时间增加Vg减小，必然在前沿的起始时的群速要大，简单说，即光脉冲前沿的群速大。脉冲后沿：同理，由于脉冲后沿频率上移，即要求脉冲后沿的群速要小。

9.3.2 光孤子形成机理 将上述两点综合起来：在单模光纤的正色散区，这种非线性效应使光纤中传输的光脉冲前沿群速变大，光脉冲的后沿群速变小，其结果就将使脉冲缩窄。以上是问题的一个方面，即在单模光纤的正色散区，由于光纤的非线性作用使光纤中传输的光脉冲挛窄。另一方面，如前曾多次讨论过的，单模光纤本的色散效应，将使在光纤中传输的光脉哥波形展宽。这样，如果光脉冲波的幅度、形状合适，则就有可能实现在光纤中传输的光脉冲压缩和展宽的作用相平衡，在传输的过程中不产生畸变，而且传输速度不变，并保持一个二个孤立的脉冲波形，形成人们所说的孤子波，从而实现光波信号在光纤中的大容量、超长距离的传输。以上是根据光纤的自相位调制和光纤色散效应对光脉冲波形的影响，定性地讨论了光孤子形成的机理．从数学的观点来看，孤立波是对非线性薛定谔方程

9.3.3 光孤子的传输 光孤子之所以能够对光纤通信具有极大的吸引力，就是因为即使存在光纤色散的情况下，它们也能够保持其宽度不变，然而该结论仅是忽略光纤损耗条件下，才具备的特征，因而当光纤有损耗时，由于光孤子峰值功率的减少，从而消弱了抵消群速度色散所引起的非线性影响，这样光孤子能量的减少直接导致了光孤子的展宽。下面将分别就损耗对光孤子宽度的影响以及补偿方法进行讨论。归一化距离z/LD 曲线1表示不考虑光纤损耗时的数值模拟结果；曲线2表示微扰理论预见到的因光纤损耗使脉冲展宽随距离指数的增加；曲线3表示假定不存在非线性影响情况下的脉冲展宽。图9-5 一阶光孤子发射进光纤时，有损耗光纤中的光孤子展宽

损耗对光孤子宽度的影响 9.3.3 光孤子的传输图9-5 给出一阶（N=1）光孤子耦合进光纤时，在有损耗光纤中朱光孤子展宽与传输距离之间的关系，图中T0为输入光孤子宽度。为色散长度，而且是与光纤衰减系数 α有关的参数，现观察图9-5中曲线2，它表示在Γ= 0.035情况下，一阶光孤子耦合进光纤时，展宽系数（即相对展宽）T1/T0（T1为光孤子宽度）与归一化距离z/LD之间的关系，为了分析清楚起见，在图中还分别用曲线1和3绘出了不考虑光纤损耗时和不存在非线性影响时的展宽系数与归一化距离之间的关系。从中可以清楚地看出，当光纤存在损耗时，随着传输距离的增加，脉冲相对宽度变大了，但由于存在光纤非线性效应的影响，因此这种展宽并不严重。由此可见，即使光孤子发生展宽，但与不存在非线性影响情况下的展宽相比要小得多，故此对光纤通信系统来说，非线性影响是有益的。以上分析是以一阶光孤子为例进行的．如果使用高阶光孤子来分析的话，也可以得到同样的结论，而且在8Gbit/s传输速率、光孤子的峰值功率约3mW条件下，预计中继距离可增加2倍。

放大器 放大器光发射机光接收机 … (a)集中放大泵浦泵浦光发射机光接收机 … WDM WDM (b)分布放大图9-6工光孤子通信系统中损耗的补偿 2．利用光孤子放大补偿光损耗 9.3.3 光孤子的传输为克服光纤损耗的影响，需要对光孤子周期性地放大，以便恢复其最初的宽度和峰值功率，在图9-6中分别表示了集中放大和分布放大两种光孤子放大示意图，下面逐一地进行介绍。

（1）集中光孤子放大 9.3.3 光孤子的传输从图9-6(a)可以看出，它与非光孤子通信系统相同，将光放大器周期性地插入光纤光路中，通过调整其增益来补偿两光放大器之间的光纤损耗，从而达到使光纤非线性效应所产生的脉冲压缩恰恰能够补偿光纤群色散所带来的影响，以保持光孤子的宽度不变。众所周知，在普通的光纤通信系统中，中继距离一般为50~100km，其具体长度要由光纤损耗、光纤色散以及系统中所使用的工作波长决定，而在光孤子通信系统中，中继距离则在10~30km，与普通光纤通信系统情况下的中继距离相比小得多，因此必须在相当短的距离内插入光放大器以增强光孤子能量，使峰值功率恢复到输入电平的数值。尽管如此，即便在使用集中放大时，仍要求中继距离小于20km，显然相当短。由于光放大器只能在很短的距离上对光孤子进行放大，使其能量达到初始值，而被放大的光孤子仍将会在接下去的传输光纤上动态地调整其宽度，加之整个调整过程中还存在色散因素的影响．因此如果放大器的级数过多，便会造成色散的积累，这样只能通过减小放大器之间的距离来减小在这段距离上孤子脉冲所受到的干扰。

泵浦泵浦光发射机光接收机 … WDM WDM (b)分布放大图9-6工光孤子通信系统中损耗的补偿（2）分布放大 9.3.3 光孤子的传输所谓分布放大是指光孤子在沿整个光纤的传输过程中得以放大的技术，如图9-6（b）所示通过向光纤注入泵浦光，从而产生接曼效应，这样尽管光纤存损耗，但光孤子在整个光传输过程中都具备拉曼增益都正好与光纤损耗相消，则孤子将会维持在任意长的距离上，但这是仅是理论上的分析，实际上根本无法做倒使光纤各处的泵浦光功率都一样，因而只能每隔一定距离注入泵浦光，以对拉曼放大提供能量，泵浦距离的大不决定于光纤对光孤子和泵浦光的损耗以及孤子能理被允许偏离初始的程度，能常典型的泵浦距离为40~50km。

根据上述分析，如果对工和在零色散波长处的单通道光孤子通信系统与非光孤子通信系统作一比较可以发现，采用EDFA的非光孤子普通系统的性能完全可以右达到光孤子通信系统指标，而且系统中放大器的间距离可以增大到100km，似乎比光孤子通信系统更具优越性，但非光孤子普通系统容易受到群色散的影响，从而对其传输速率有所限制，特别是在多信道系统中，这种影响又对其传输量加以限制，而光孤子系统却可以将不同的波长多信道信号复用到一根光纤中传输，因此多信道光孤子传输已引起了人们的广泛注视。 9.3.3 光孤子的传输在无损耗或损耗被理想分布的放大器补偿的光孤子通信系统中，由于光孤子的群速度与其载频直接相关，而且不同信道的光孤子具有不同的载频，因而具有不同的群速率，这样某一信道的光孤子有可能周期性地与其他信道的光孤子发生碰撞。

在碰撞中，由于光孤子之间的非线性相互作用，使得孤子之间产生交叉相位调制，从而导致光孤子载频的瞬时变化，使慢孤子被阻碍，快孤子得到加速，又由于碰撞具有对称性，在碰撞结束后，两个光孤子又将恢复到这它们原来的频率，因此光孤子群速率并不没有产生变化，只是碰撞过程中，引起光孤子的时间移动，这个时间移动δt可表示为在碰撞中，由于光孤子之间的非线性相互作用，使得孤子之间产生交叉相位调制，从而导致光孤子载频的瞬时变化，使慢孤子被阻碍，快孤子得到加速，又由于碰撞具有对称性，在碰撞结束后，两个光孤子又将恢复到这它们原来的频率，因此光孤子群速率并不没有产生变化，只是碰撞过程中，引起光孤子的时间移动，这个时间移动δt可表示为 9.3.3 光孤子的传输 (9-13) 其中，为两信道间的频率间隔，由上式可知，通过中间两光孤子之间的频率间隔，使得这个时间移移动很小，从而可以将其忽略

9.3.3 光孤子的传输 由于光纤损耗的存在，因而在实际光孤子通信系统中，必须周期性地插入放大器，这样，碰撞有可能恰巧发生，在放大器中，从而破坏了碰撞的对称性，使光孤子的载频出现移动，导致光孤子到达接收端时间发生较大的变化，即在定时抖动，这种抖动与放大器噪声所引起的定时抖动一样，对系统性能产生的很大的影响，其影响力之大，可以在下面的二通道的实验系统中看到，该实验中使用了两个频谱间隔为0.18nm、脉冲宽度为70ps的光孤子流，将其耦合进行由三个EDFA放大器构成的106km长的光纤线路中去，该光纤线路工作于1.559μm波长处，其色散系数为16ps/(km·nm)，经过检测以察到光孤子到达接收端的时间发生了55ps的变化，并且频谱移动了5GHz。

第九章 全光通信