光孤子的未来

Andre Girard 著 赵锋 译

　　经过合理的管理，光纤中的两种失真因素（色散及自相位调制）能够相互抵消，这样光孤子就能发挥它的作用。色散会使包含一组波长的脉冲信号随着传输距离的增加而逐渐发散。自相位调制（SPM）会使光脉冲的波谱横向扩散。这两种失真因素之间有一定的关系，它们可以相互平衡，因此一旦光纤中的脉冲信号达到平衡状态，它就能保持自己的波形或色散不变。

　　然而，衰减会不断削弱脉冲信号，从而无法保持沿光纤的波形不变。目前已经开发出来能平衡衰减并保持脉冲信号波形的光放大器。然而，和其它的辐射源一样，光放大器也会产生叫做被放大的寄生辐射（ASE）的噪声，使脉冲在时域内产生抖动。基本的光孤子波形（例如sech）有一个较长的尾迹，如果脉冲有抖动，则这种长尾迹会使相邻脉冲产生重叠，从而使这两个脉冲都受到破坏。这种现象被称为Gordon-Haus效应。与拉曼放大器相比，掺铒光放大器（EDFA）具有较大的ASE，因此来自光纤自身的受激拉曼散射放大器更适合于做光孤子脉冲放大器。

　　光孤子的自恢复能力对高速长途传输具有极大的吸引力。在长距离传输速率已经接近40Gb/s的今天，传输系统迅速地面临着严重考验，而光孤子是前途广阔的未来解决方案。
　　在实验室环境中，光孤子已被证明能提供非常高的传输速率。甚至在单模光纤传输刚出现的时候设计者就曾想把光孤子用于长途传输。原先计划采用归零（RZ）比特编码沿光纤生成光孤子脉冲序列。但是由于具有高噪声的EDFA的出现使得这一想法没能得以实施。网络系统设计者采用了更易于处理的不归零比特编码，从此光孤子商用化的希望成了泡影。

　　由于人们现在开始考虑采纳40Gb/s的传输速率，因此RZ又重新引起了人们的兴趣。在这样的速率上需要提供更高的光信噪比（OSNR），从而要求提高发射功率，这时就会产生像SPM和拉曼受激散射这样的非线性失真。这些失真可以和色散管理巧妙地结合在一起，这样就不必再去尽量避免它们。于是，这种基于拉曼失真的新型放大器就引起了人们更大的兴趣。拉曼放大器与EDFA相比还具有低噪声的优势。

　　机遇又再次为光孤子传输技术敞开了大门。我们必须研究基础理论以发现所面临的挑战从而促进更深入的研究。为了实现这一目的，我们必须要尽可能准确地理解光孤子的原理。

　　光孤子可以很好地用在一个非线性散射介质中传播电磁波的非线性薛定鄂方程的解来表示，这种介质的折射系数可以用n=n(I,l)表示。薛定鄂方程的形式如下：

δψ/δz=-αψ2-(i/2)β2(δ2ψ/δt2)+(1/6)β3(δ3ψ/δt3)+(i/24)β4(δ4ψ/δt4)+iγ|ψ|2ψ-(γ/ω0)(δ|ψ|2ψ/δt)，
其中，ψ(z,t)是在距离z上在时间变量t内传播的脉冲信号包络。由于我们要处理的是一个散射介质，因此我们需要引入群速率的概念。β2、β3、β4分别为第二、第三和第四阶群速率散射（GVD）参数，换句话说，它们分别是波数β（β=nk，k=ω/c）作为光频率ω或波长的函数的第二、第三和第四阶导数。在原理上，对于β阶的扩展并没有限制，但是这些阶数的影响随着阶数的增加迅速变得可以忽略不计了。

　　短期内光孤子仍然面临着一些挑战需要克服。例如，光孤子技术在电信领域的实际应用必须要有精密的控制技术，例如把光孤子的间隔距离扩大到脉冲宽度的好几倍的技术。我们还必须要能掌握并控制光孤子振幅的细微变化。为了驾驭光孤子极高的传输速率，我们还必须要能利用光滤波获得同步的振幅和相位调制。 一旦这些特定的问题被解决，基于光孤子波的传输就将会真正迎来一个新的开端。

译自《Lightwave》2001.9期《Future of solitons》