光孤子系统的传输与控制技术

朱宏　唐棣芳

上海地铁运营有限公司　上海交通大学电子工程系

　　摘要：介绍了光孤子传输用的基本部件，分析了光纤孤子通信传输和控制技术的研究进展，指出了现阶段有待解决问题，最后展望了光孤子通信发展前景。

　　关键词：孤子理论；光孤子；光纤通信

　　0　概述

　　光通信传输速度及传输容量主要由光纤的群速色散引起的脉冲展宽决定。但利用群速色散为零的波长进行超高速、长距离通信的限制和弊端已日益明显地展露出来。而光孤子技术便是解决这一问题的手段之一。光孤子通信技术一经提出，便显示出突出的优越性和巨大的发展潜力，并引起人们的广泛关注。虽然这一领域目前仍处于理论研究和实验的阶段。但可以预计其很有可能将成为未来超长距离信息传输的主要手段。

　　1　光孤子通信系统

　　长距离光孤子通信系统由四个基本单元组成：光孤子源、孤子传输光纤、孤子能量补偿放大器与孤子脉冲检测接收单元。

　　1.1　光孤子源

　　光孤子源是光功率满足一定要求的，可提供波形稳定无啁啾变换限制的双曲正割波形或高斯波形光脉冲序列的光源，是实现光孤子通信的关键部件。光孤子的产生方法有多种，如早期的色心激光器、调制不稳定激光器、光纤Raman（拉曼）孤子激光器与受激参量孤子激光器及多级压缩孤子激光器等。1980年，Bellcore的Mollenauer使用1.55μm的销模色心激光器和低损耗光纤，首次在实验室观测到光孤子。1989年，又利用单模光纤的受激拉曼分布放大进行能量补偿，采用光纤循环结构模拟长距离传输系统，实现55ps的孤子在42km的光纤环中稳定传输6000km。现在比较流行的光孤子源有锁模外腔半导体激光器（ML-EC-LD）、增益开关分布反馈半导体激光器（GS-DFB-LD）等。ML-EC-LD产生的脉冲波形较好且频率啁啾成分较低，但结构复杂，稳定性差，集成ML-EC-LD是一种较好的孤子源产生方案；GS-DFB-LD结合去啁啾技术，结构简单，但仍有一定的残余频率啁啾，只要光脉冲的频率啁啾足够小，脉冲便可在光纤中演化为光孤子，因而它是目前光孤子传输系统中重要的光源；ML-ER-FRL是一种新颖的超短光脉冲源，它能直接产生孤子，无啁啾，可自启动并易于与光纤连接，结构较简单，也是目前使用较多的光源。

　　1.2　光孤子传输用光放大器

　　理想的孤子通信系统要求传输标准的双曲正割波形的超短激光脉冲，在传输过程中具有保形及稳定传输的特点。光中继放大器仅起放大幅度的作用，这种脉冲作用为信息载体，能实现高速大容量通信。但在实际的孤子通信系统中，往往存在高阶色散与非线性损耗及系统部件参数的随机变化等；而输入波形则可能偏离双曲正割波形，含有频率啁啾或光源噪声；光中继放大器除了放大孤子脉冲外，还引入自发辐射噪声。光孤子的稳定传输要求脉冲无能量衰减，但这些光源、光中继放大器及传输线的非理想状态将给孤子传输带来不利，使孤子能量损失、脉宽展宽、传输容量减小，因而必须为孤子补充能量。

　　光放大器在光孤子通信系统中用于补偿孤子传输过程中的能量损耗，是实现高速长距离通信的另一关键部件，主要有四种光放大器可实现光孤子放大，它们是半导体光放大器（SOA）、掺铒光纤放大器（EDFA）、分布式掺铒光纤放大器（D-EDFA）和拉曼光纤放大器。

　　SOA的特点是尺寸小、频带宽、增益高，易和其他光电子器件混合集成，可工作于整个光纤的低损耗窗口，但与光纤耦合损耗太大，噪声也大，且增益对光纤的极化和环境温度很敏感，稳定性差。

　　EDFA具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、泵浦功率低、可用半导体激光器作为泵源、偏振不敏感等特点，特别适用于高速长距离通信应用。Nakazawa等人在1989年首先用EDFA成功地实现了20GHz的孤子稳定传输。

　　D-EDFA采用掺Er3+浓度低、增益系数低、截止波长长、数值孔径大、负色散区宽的三角形折射率分布的掺铒光纤，并采用1480nm双向泵浦技术，以减少损耗，降低沿线能量起伏，可达到约100km的放大或泵站间距。

　　早期Hasegawa等人建议利用传输光纤的受激Raman放大补偿光纤损耗，不久Mollenauer等人用此方案实现了4000km孤子稳定传输。拉曼放大器为发布式补偿放大、波动小、稳定性好，但拉曼放大的泵浦效率低，所以要求泵浦功率高。目前，很难用于实际通信系统，但是随着技术的发展，此类放大器也会用于实际信息传输系统中，并将会大大改善光孤子通信的性能。

　　2　光孤子传输技术剖析

　　光孤子传输系统的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、光纤非线性系数、光纤损耗、光纤色散、放大器自发辐射因子、放大器间距等等。为实现光孤子的长距离传输，必须合理选择光纤色散、放大器间距、放大器增益，传输距离、孤子脉宽、孤子入纤峰值功率、接收机判决门限等参数，处理ASE（放大自发辐射）噪声与Gordon-Haus限制、孤子相互作用、系统参数失配、非均匀扰动及由此产生的色散波与不稳定性。

　　早期的孤子传输实验将普通单模光纤作为传输媒质，存在色散大、孤子阈值功率高等问题。为解决这些问题，采用色散位移光纤（DSF），并形成一种DSF和EDFA周期性级联的孤子传输系统组成方案，这一传输方案一直沿用至今，成为光孤子传输系统的基本组成方案。

　　Shiojiri和Fujii提出采用增大孤子幅度方法来增加放大器间距，称为预加重。在用DSF和EDFA长距离孤子传输系统中，合理选择方案和系统参数是保证脉冲稳定传输的前提。然而，无论何种系统方案，均离不开预加重措施的使用。

　　但是在采用预加重措施之后，在传输距离L过大时，脉冲仍将失去孤子特性。为此在传输系统中应考虑另一个重要参数，即放大器间距La。放大器间距与系统中的许多参数如光纤损耗、色散、脉冲宽度、预加重因子等有关。从应用角度看，La应尽可能地大，以减少整个系统成本，但从孤子传输性能来看，放大器间距越小，放大特性越接近分布放大，有利于孤子传输的稳定。对于目前考虑的孤子通信系统，放大器间距一般取几十公里。当孤子系统的La确定后，色散长度Ld会随脉宽与色散的变化而变化，归一化放大器间距Za=La/Ld有可能出现远小于1，约等于1或远大于1等多种情况，与此相应的有平均孤子传输、动态孤子传输和绝热孤子传输等不同传输方式。

　　预加重系统设计中，就幅度加重因子究竟应该多大，提出过几种方案：1）随脉宽变化确定，预加重功率引起的脉冲变窄正好补偿损耗引起的脉冲展宽，这种方案称为动态孤子通信方案。这种方案是基于孤子幅度在一定范围内变化时，表征孤子特征的面积不变定理，其优噗是放大器间距与孤子周期可比拟。2）随功率变化确定，使加重后孤子脉冲的路径平均功率等于不考虑光纤损耗时的基态孤子功率，故又称为平均孤子通信方案。
　　这一制约条件使La不能太大，通常La远小于孤子周期，但传输非常稳定。而绝热孤子方案利用两个放大器间的传输绝热特性，其加重因子比平均孤子传输所需的大，且不如平均孤子传输稳定。

　　3　光孤子通信系统控制技术

　　对光孤子通信系统进行控制的常见方法有：频域滤波控制、时域同步幅度调制控制和同步相位调制控制、非线性增益控制、色散补偿与色散配置控制等。

　　频域滤波控制，是在周期性集总放大孤子传输系统每一光纤放大器（EDFA）后插入光滤波器，称为导频滤波器，以滤除EDFA产生的ASE噪声边带，实现稳定传输。这种控制方案亦称为带宽限制放大控制方案。光滤波器通常采用空气隙尾纤型滤波器，基本结构是一种法布里珀罗（E-P）标准具，由两块高反腊平行镜片构成腔体。

　　为克服ASE噪声和Gordon-Haus效应对通信容量的限制，Nakazawa等人提出了另一种传输控制方案，称为同步幅度调制控制，此方案是在孤子传输线上，周期性地提取时钟脉冲，控制接入线路的电光幅度调制器，对通过调制器的孤子脉冲进行整形和定时，实现抑制孤子到达时间抖动的目的。这是一种时域控制技术，不仅能克服Gordon-Haus效应影响，对抑制相邻孤子的相互作用亦十分有效。同步相位调制控制方案是利用从孤子传输系统中提取的时钟脉冲，控制经过相位调制器的光孤子脉冲，对光孤子中心频率进行调整，达到抑制孤子到达时间抖动的目的。1993年Smith对同步相位调制控制孤子传输系统中的孤子定时抖动进行过初步分析，发现在传输系统中点插入单级相位调制器，可使孤子到达时间抖动方差降低80％。

　　采用频域和时域控制，扼制ASE噪声和Gordon-Haus效应，提高光纤孤子通信系统通信容量的方法，是孤子传输控制的两种基本方法。采用滤波器构成的带宽限制频域控制系统，能扼制Gordon-Haus效应，但由于补偿滤波器插入损耗的附加增益，会引起滤波器中心频率附近色散波累积，导致系统稳定下降，通信容量得不到很大的提高。

　　非线性增益控制方案是利用系统增益特性随光强非线性变化的控制机制，使强光透射率高，弱光透射率低，可以对受扰或畸变的孤子脉冲整形和消除线性色散波，实现孤子稳定传输。

　　目前应用较多的还有色散补偿控制技术，用色散补偿正由色散与非线性引起的波形畸变，系统结构简单，并可用普通单模光纤实现孤子通信。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、周期性分布式补偿等几种方案。

　　色散补偿控制技术用于光孤子通信系统可对ASE噪音、孤子相互作用与色散波等进行控制，达到提高系统传输速率，增大传输距离和通信容量的目的。

　　4　光孤子通信现状与展望

　　近几年来，人们对光孤子研究的领域不断拓展，取得了重大进展，例如光孤子的WDM（波分复用）应用，准孤子理论，利用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。

　　目前对光孤子的研究正在深入进行。由于光孤子通信具有传输容量大、距离长、误码率低、抗噪声能力强等优点。因而一直受到国内外科技工作者的关注，其研究前景无限宽广。

摘自《光纤与电缆及其应用技术》