光孤子及光孤子通信实现所面临的困难

尹生妹

摘要 随着人们对通信技术的要求越来越高,光孤子通信以其独有的优点被认为是下一代光纤通信系统。本文从光孤子的概念出发，介绍了光孤子形成的机理。随后对实现光孤子通信所面临的一些难题进行了总结分析。本文对于需要了解光孤子及光孤子通信方面问题的研究有一定的指导作用。

关键词 光孤子；光孤子通信

中图分类号TN91 文献标识码A 文章编号 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，并且从理论上预言了光学孤子的存在，但光孤子真正被观察是在1980年，被L.F.M.llenauer等人，由此也就证实了Hasegawa的预言。

光孤子的形成得归功于光纤中的非线性效应和色散效应，色散效应可以使脉冲的加宽，而非线性效应则恰好可以使脉冲的压缩，当色散效应与非线性效达到平衡时，脉冲沿光纤传播时就不会改变它的速度和形状，在发生碰撞时也能不失真而继续存在。根据光孤子在光纤传输的中不变形的包络是依赖时间还是空间，光孤子可分为两种：时间光孤子和空间光孤子。

2 光孤子通信

目前投入使用的基于线性光学原理的常规光纤通信系统中，由于色散跟光纤损耗的存在，脉冲信号幅度会减小，同时波形也会展宽，从而限制了系统的传输距离和传输容量。而以非线性光学原理为基础的光孤子通信将显示出明显的优势，它不仅可以克服光纤色散的制约，提高传输容量[1][2]，而且可以从根本上改变现有通信方式中使用中继站所带来的损耗和不便。

所谓的光孤子通信是将光纤中的孤子用作传递信息的载体，构建一种新的光纤通信方案，是由Mollenauer等人在1987年提出的，但光孤子通信真正开始进入实用化阶段是在20世纪90年代末。在光孤子通信领域，美国和日本处在领先地位。目前的许多的实验都表明了光孤子通信在超长距离、高速通信的可行性和巨大的的应用前景。

3 光孤子通信的一些问题

由于光孤子采用了全光系统，光孤子通信还具有减少误码率，减少成本，降低系统的复杂性，接收系统更简单等优点。但是从光孤子通信的概念被提出到现在，为什么我们仍然没有看到一个投入使用的光孤子通信系统。这是因为在实际应用中，由于光孤子本身的性质，光孤子通信还有若干问题需要解决[3][4]。

1）要实现光孤子通信首先是要产生的光孤子。而要产生能在光纤中稳定地传输光孤子，必需使光孤子源输出的光脉冲为双曲正割形，且振幅达到一定的峰值时才行，同时用于通信的光孤子源要求它要具有体积小、成本低、寿命长等特点。目前，光孤子源种类繁多，但能达到产生稳定传输的光孤子，且在光孤子通信实验系统中应用的比较多的主要是DFB半导体激光器和锁模半导体激。这两种激光器输出的脉冲虽经光纤放大器放大后可获得较理想峰值功率。但其在传输过程中，光脉冲中心部分在非线性自相位调制与色散效应共同影响下会失真，因此也不是很理想；

2）光孤子在传输过程中，相邻的光孤子间会产生相互影响。一般来说，相邻的同相光孤子就会相互吸引，由此光孤子会在光纤中产生周期性的碰撞，相邻的反向光孤子就会相互排斥，由此相邻的光孤子的间距会越来越远。而光孤子通信一般采用归零码，不论是那种情况，通信的误码率和传输速率都会受到影响，而孤子间的相互作用，虽然人们经过研究并也提出了一系列抑制孤子相互作用的方法，目前比较可行的是采用相邻孤子不等振幅的传输方法，但效果也是很理想，这就会导致频率带宽不能被充分利用；

3）光纤损耗会使得孤子通信距离受到限制。我们在进行理论分析和模拟时，光纤的损耗都是被忽略的因素。不过在长距离的传输中，线路损耗的影响是需要考虑的。当光纤的损耗存在时，光孤子能量会不断减少，这样使得非线性效应减弱，此时的非线性效应与色散展宽平衡就被破坏了，这样会导致光孤子的传输距离会因为光脉冲的展宽而大大缩短，面对这一难题，人们提出只要对光孤子进行能量补偿，就可以使光孤子能量恢复到原来，为此，在光孤子通信系统中，就需要在一定距离光纤线路进行能量补偿一次，经过人们大量的研究，目前普遍采用分布式光放大技术和集总式光放大技术这两种技术对光孤子进能量补偿，分布式光放大技术是采用受激拉曼散射放大器对光信号进行放大，而受激拉曼散射放大器由于它对泵浦光源高要求和其自身的噪声问题，使得它离实用化还有一定的距离，因此该方法也不是很理想。后者则是使用具有高增益、低噪声、小损耗的集总式掺铒光纤放大器，该放光器也是目前光孤子通信应用的主体方案，但也还存一定的缺陷；

4）在目前设计的光孤子通信系统中，为了克服光纤损耗通常要用大量的放大器来进行能量补偿，而放大器的自发辐射噪声会使得光孤子的幅度和相位发生随机的变化，从而引起孤子定时抖动，即Gordon一aus[5]效应．而光孤子的时间抖动会形成误码，由此限制了系统的传输距离，目前虽然也可采用色散补偿技术或在每一个放大器后加一个光滤波器的方法来减少光孤子的时间抖动，但也仍存在一个最大无中继站距离的限制。

4结论

光孤子具出色的传输特性，这引起人们不断地对其进行研究，目前，尽管要产生理想的光孤子所需要的严格的条件阻碍其在通信应用方面的实现，但光孤子通信所具有的优点决定了它在通信领域广阔的应用前景，随着人们的不断追求，难题将会不断地解决，相信在不久的将来光孤子通信一定会被推广和应用的。

参考文献

[1]许伟云光孤子传输技术研究[J].天津工程师范学院学报，2007，9.

[2]张妍.光孤子通信系统传输特性及其偏振模色散的研究[D].济南：山东大学通信与系统专业，2004.

[3]王志斌.光孤子在光纤中传输的特性研究[D].秦皇岛：燕山大学测试计量技术及仪器专业，2007.

[4]陈金鹰，光孤子通信技术分析[J]．现代通信，2003，1：5-6．

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