光孤子及光孤子通信實現所面臨的困難

尹生妹

摘要 隨著人們對通信技術的要求越來越高,光孤子通信以其獨有的優點被認為是下一代光纖通信系統。本文從光孤子的概念出發，介紹了光孤子形成的機理。隨后對實現光孤子通信所面臨的一些難題進行了總結分析。本文對于需要了解光孤子及光孤子通信方面問題的研究有一定的指導作用。

關鍵詞 光孤子；光孤子通信

中圖分類號TN91 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）67-0187-02

1 光孤子

光孤子的概念的是Hasegawa和Tappert在1973年首先提出的，并且從理論上預言了光學孤子的存在，但光孤子真正被觀察是在1980年，被L.F.M.llenauer等人，由此也就證實了Hasegawa的預言。

光孤子的形成得歸功于光纖中的非線性效應和色散效應，色散效應可以使脈沖的加寬，而非線性效應則恰好可以使脈沖的壓縮，當色散效應與非線性效達到平衡時，脈沖沿光纖傳播時就不會改變它的速度和形狀，在發生碰撞時也能不失真而繼續存在。根據光孤子在光纖傳輸的中不變形的包絡是依賴時間還是空間，光孤子可分為兩種：時間光孤子和空間光孤子。

2 光孤子通信

目前投入使用的基于線性光學原理的常規光纖通信系統中，由于色散跟光纖損耗的存在，脈沖信號幅度會減小，同時波形也會展寬，從而限制了系統的傳輸距離和傳輸容量。而以非線性光學原理為基礎的光孤子通信將顯示出明顯的優勢，它不僅可以克服光纖色散的制約，提高傳輸容量[1][2]，而且可以從根本上改變現有通信方式中使用中繼站所帶來的損耗和不便。

所謂的光孤子通信是將光纖中的孤子用作傳遞信息的載體，構建一種新的光纖通信方案，是由Mollenauer等人在1987年提出的，但光孤子通信真正開始進入實用化階段是在20世紀90年代末。在光孤子通信領域，美國和日本處在領先地位。目前的許多的實驗都表明了光孤子通信在超長距離、高速通信的可行性和巨大的的應用前景。

3 光孤子通信的一些問題

由于光孤子采用了全光系統，光孤子通信還具有減少誤碼率，減少成本，降低系統的復雜性，接收系統更簡單等優點。但是從光孤子通信的概念被提出到現在，為什么我們仍然沒有看到一個投入使用的光孤子通信系統。這是因為在實際應用中，由于光孤子本身的性質，光孤子通信還有若干問題需要解決[3][4]。

1）要實現光孤子通信首先是要產生的光孤子。而要產生能在光纖中穩定地傳輸光孤子，必需使光孤子源輸出的光脈沖為雙曲正割形，且振幅達到一定的峰值時才行，同時用于通信的光孤子源要求它要具有體積小、成本低、壽命長等特點。目前，光孤子源種類繁多，但能達到產生穩定傳輸的光孤子，且在光孤子通信實驗系統中應用的比較多的主要是DFB半導體激光器和鎖模半導體激。這兩種激光器輸出的脈沖雖經光纖放大器放大后可獲得較理想峰值功率。但其在傳輸過程中，光脈沖中心部分在非線性自相位調制與色散效應共同影響下會失真，因此也不是很理想；

2）光孤子在傳輸過程中，相鄰的光孤子間會產生相互影響。一般來說，相鄰的同相光孤子就會相互吸引，由此光孤子會在光纖中產生周期性的碰撞，相鄰的反向光孤子就會相互排斥，由此相鄰的光孤子的間距會越來越遠。而光孤子通信一般采用歸零碼，不論是那種情況，通信的誤碼率和傳輸速率都會受到影響，而孤子間的相互作用，雖然人們經過研究并也提出了一系列抑制孤子相互作用的方法，目前比較可行的是采用相鄰孤子不等振幅的傳輸方法，但效果也是很理想，這就會導致頻率帶寬不能被充分利用；

3）光纖損耗會使得孤子通信距離受到限制。我們在進行理論分析和模擬時，光纖的損耗都是被忽略的因素。不過在長距離的傳輸中，線路損耗的影響是需要考慮的。當光纖的損耗存在時，光孤子能量會不斷減少，這樣使得非線性效應減弱，此時的非線性效應與色散展寬平衡就被破壞了，這樣會導致光孤子的傳輸距離會因為光脈沖的展寬而大大縮短，面對這一難題，人們提出只要對光孤子進行能量補償，就可以使光孤子能量恢復到原來，為此，在光孤子通信系統中，就需要在一定距離光纖線路進行能量補償一次，經過人們大量的研究，目前普遍采用分布式光放大技術和集總式光放大技術這兩種技術對光孤子進能量補償，分布式光放大技術是采用受激拉曼散射放大器對光信號進行放大，而受激拉曼散射放大器由于它對泵浦光源高要求和其自身的噪聲問題，使得它離實用化還有一定的距離，因此該方法也不是很理想。后者則是使用具有高增益、低噪聲、小損耗的集總式摻鉺光纖放大器，該放光器也是目前光孤子通信應用的主體方案，但也還存一定的缺陷；

4）在目前設計的光孤子通信系統中，為了克服光纖損耗通常要用大量的放大器來進行能量補償，而放大器的自發輻射噪聲會使得光孤子的幅度和相位發生隨機的變化，從而引起孤子定時抖動，即Gordon一aus[5]效應．而光孤子的時間抖動會形成誤碼，由此限制了系統的傳輸距離，目前雖然也可采用色散補償技術或在每一個放大器后加一個光濾波器的方法來減少光孤子的時間抖動，但也仍存在一個最大無中繼站距離的限制。

4結論

光孤子具出色的傳輸特性，這引起人們不斷地對其進行研究，目前，盡管要產生理想的光孤子所需要的嚴格的條件阻礙其在通信應用方面的實現，但光孤子通信所具有的優點決定了它在通信領域廣闊的應用前景，隨著人們的不斷追求，難題將會不斷地解決，相信在不久的將來光孤子通信一定會被推廣和應用的。

參考文獻

[1]許偉云光孤子傳輸技術研究[J].天津工程師范學院學報，2007，9.

[2]張妍.光孤子通信系統傳輸特性及其偏振模色散的研究[D].濟南：山東大學通信與系統專業，2004.

[3]王志斌.光孤子在光纖中傳輸的特性研究[D].秦皇島：燕山大學測試計量技術及儀器專業，2007.

[4]陳金鷹，光孤子通信技術分析[J]．現代通信，2003，1：5-6．

[5]GordonJP.Interactionforeesamongsolitonsinoptiealfibers.opt.Lett.，8(1983)，596.