基于光孤子系統的傳輸與控制技術

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。

　　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

　　光孤子源是光功率滿足一定要求的，可提供波形穩定無啁啾變換限制的雙曲正割波形或高斯波形光脈沖序列的光源，是實現光孤子通信的關鍵部件。光孤子的產生方法有多種，如早期的色心激光器、 調制不穩定激光器、光纖Raman（拉曼）孤子激光器與受激參量孤子激光器及多級壓縮孤子激光器等。1980年，Bellcore的Mollenauer 使用1.55μm的銷模色心激光器和低損耗光纖，首次在實驗室觀測到光孤子。1989年，又利用單模光纖的受激拉曼分布放大進行能量補償，采用光纖循環結 構模擬長距離傳輸系統，實現55ps的孤子在42km的光纖環中穩定傳輸6000km。現在比較流行的光孤子源有鎖模外腔半導體激 光器（ML-EC-LD）、增益開關分布反饋半導體激光器（GS-DFB-LD）等。ML-EC-LD產生的脈沖波形較好且頻率啁啾成分較低，但結構復 雜，穩定性差，集成ML-EC-LD是一種較好的孤子源產生方案；GS-DFB-LD結合去啁啾技術，結構簡單，但仍有一定的殘余頻率啁啾，只要光脈沖的 頻率啁啾足夠小，脈沖便可在光纖中演化為光孤子，因而它是目前光孤子傳輸系統中重要的光源；ML-ER-FRL是一種新穎的超短光脈沖源，它能直接產生孤 子，無啁啾，可自啟動并易于與光纖連接，結構較簡單，也是目前使用較多的光源。

　　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。

　　早期Hasegawa等人建議利用傳輸光纖的受激Raman放大補償光纖損耗，不久Mollenauer等人用此方案實現了4000km孤子穩定傳輸。 拉曼放大器為發布式補償放大、波動小、穩定性好，但拉曼放大的泵浦效率低，所以要求泵浦功率高。目前，很難用于實際通信系統，但是隨著技術的發展，此類放 大器也會用于實際信息傳輸系統中，并將會大大改善光孤子通信的性能。

　　2　光孤子傳輸技術剖析

　　光孤子傳輸系統的距離碼速乘積的上限受到多個參數的影響，包括光脈沖占空比、光纖的有效截面、光纖非線性系數、光纖損耗、光纖色散、放大器自發輻射因子、放 大器間距等等。為實現光孤子的長距離傳輸，必須合理選擇光纖色散、放大器間距、放大器增益，傳輸距離、孤子脈寬、孤子入纖峰值功率、接收機判決門限等參 數，處理ASE（放大自發輻射）噪聲與Gordon-Haus限制、孤子相互作用、系統參數失配、非均勻擾動及由此產生的色散波與不穩定性。

　　早期的孤子傳輸實驗將普通單模光纖作為傳輸媒質，存在色散大、孤子閾值功率高等問題。為解決這些問題，采用色散位移光纖（DSF），并形成一種DSF和EDFA周期性級聯的孤子傳輸系統組成方案，這一傳輸方案一直沿用至今，成為光孤子傳輸系統的基本組成方案。

　　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。

　　目前應用較多的還有色散補償控制技術，用色散補償正由色散與非線性引起的波形畸變，系統結構簡單，并可用普通單模光纖實現孤子通信。根據沿傳輸系統光纖 色散的分布方式，目前提出了終端正色散補償、終端正色散補償在線濾波控制混合補償、周期性集總式色散補償、周期性分布式補償等幾種方案。

　　色散補償控制技術用于光孤子通信系統可對ASE噪音、孤子相互作用與色散波等進行控制，達到提高系統傳輸速率，增大傳輸距離和通信容量的目的。

　　4　光孤子通信現狀與展望

　　近幾年來，人們對光孤子研究的領域不斷拓展，取得了重大進展，例如光孤子的WDM（波分復用）應用，準孤子理論，利用光孤子通信實驗系統中，最大放大間距受到限制，如何延長放大間距，減少放大器數量，降低成本是光孤子通信亟待解決的一個問題。

　　目前對光孤子的研究正在深入進行。由于光孤子通信具有傳輸容量大、距離長、誤碼率低、抗噪聲能力強等優點。因而一直受到國內外科技工作者的關注，其研究前景無限寬廣。