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现状进行了总结, 并对光孤子通信未来发展前景进行了展望。 关键词 光孤子 光折变 色散管理 超短激光脉冲 中图分类号 TN929. 11 文献标识码 A 等) 并使光孤子通信使用的元 器件逐步商品 化。此 外, 光孤子通信系统是采用全光纤系统还是继续采用 半导体激 光器和 EDFA 组合的系统 , 这要由 成本来 决定。
光 通 信 技 术 OPTICAL COMMUNICATION TECHNOLOGY
中国无线电电子学、 电信技术类核心期刊
Vol. 26 No. 5
光孤子通信最新研究进展及技术发展动态y
李 影 李文田 魏书军 ( 华北电力大学电子与通信工程系 保定
摘要
071003)
回顾了光孤子通信研究发展历程, 对光孤子通信系统研究进展、 光孤子技术发展动态及应用
2002 年第 5 期
李
影
李文田
魏书军 : 光孤子通信最新研究进展及技术发展动态
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加电场的非均匀空间屏蔽和光伏效应两个物理过程。 当外电场足够强时 , 它类似于屏蔽孤子 ; 当外电场为 零时 , 它退化为闭路条件下的光伏孤子。 1996 年 , 在半导体磷 化铟中发现了另 一种光折 变空间光孤子, 半导体材料中空间电荷场是由电子和 空穴共同形成。随后就预言并证实了中心对称光折 变材料中的空间光孤子的存在。此时材料的折射率 变化量反比于入射光强与暗 辐射强度之和 的平方。 此后 , 人们把目光转向了光折变非相干空间光孤子的 研究。同年, 研究人员利用准单色部分相干光 部 分空间非相干光首次实现了非相干光束的自陷。非 相干光孤子理论也随之建立起来对非相干光束的自 陷作用作出了解释。 1997 年, Mitchell、 Segev 利用波长 范围为 380~ 720nm 的白炽灯作光源, 在 SBN 光折变 晶体中首次实现了时间和空间都不相干的光束自陷。 第二年, 人们在实验中观察到了非相干暗光束 一 维或二维嵌入空缺的空间非相干光束的自陷 , 证实了 非相干暗空间光孤子的存在。 4 2 暗孤子技术 早在 1973 年人们就发现了非线性薛定谔方程在 正常色散介质中也具有孤子解 , 此时的强度分布是一 个常数基底上的凹陷脉冲 , 这个下凹的脉冲在介质内 传播时形态也不发生变化 , 称为暗孤子。现在已经有 许多技术用来产生窄暗孤子及实现一阶暗孤子的传 输。实验表明, 在 595nm 波长处 , 26ps 的输入脉冲产 生宽度为 5ps 的暗孤子在光纤中传输了 52m。另一 个实验证明, 在 532nm 波长处 , 100ps 的输入脉冲产生 宽度为 0. 3ps 的暗孤子 在光纤中 传输了 10m。 1988 年人们通过采用 620nm dye 激光器获得了 2ps 的输入 脉冲, 此时暗孤子宽度只有 185fs, 但在光纤中传输得 很短, 只有 1. 2m。 1993 年人们又通过采用 850nm T i: sapphire 激光器获得了 36ps 的输入脉 冲, 产生 5. 3ps 的暗孤子 , 在光纤中传输了 1km 。理论研究表明: 暗 孤子的脉宽在相同损耗光纤中总比亮孤子扩展得慢; 对于零色散波长大于 1. 55 m 的色散位移光纤 , 其放 大周期比亮孤子的放大周期大一倍 , 这对于未来的海 底光纤通信将具有很大的吸引力。 4. 3 超短光脉冲产生技术 持续时间短于原子系统所有有关驰豫时间的脉 冲称为超短脉冲 , 它对应着很高的峰值功率 , 在与物 质相互作用时, 表现出很强的非线性性质。超短光脉 冲的产生, 尤其是超短光 孤子的产生是实 现高速码 率、 长距离光纤孤子通信的关键。目前 , 常用的产生 超短光脉冲的方法是脉冲压缩技术。通常, 根据脉冲
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光孤子技术基础研究的发展动态
随着光纤孤子通信系统逐渐成为研究的热点课 题, 人们提出了许多新的光孤子技术, 但这些技术大 部分还只是处于实验阶段 , 将来能否应用于光纤通信 系统中还有待于进一步验证。下面着重介绍光折变 空间光孤子技术、 暗孤子技 术和超短光脉 冲产生技 术。 4 1 空间光孤子技术 光折变效应即光折射率变化效应, 是指电光材料 在光辐射下 , 其折射率随光强的空间分布而变化。 当一束光在光折变材料中传播时, 若其衍射作用 被介质的非线性折射率改变所引起的限制作用所平 衡, 就会因自陷作用而形成光折变空间光孤子。光折 变空间孤子的存在是由 Segev 、 B. Crosignani 及其合作 者于 1992 年预言的。 1993 年 Duree 等人首次在掺杂铌酸锶钡 ( SBN) 晶 体中观察到了光折变空间光孤子。它是一种准稳态 的( 或瞬态 ) 空间光孤子, 在微瓦的入射功率下即可产 生, 但要求有外加电场且只存在于外加电场被材料内 部空间电荷场缓慢地屏蔽掉的那段时间之内 , 随后稳 态消失。 1994 年 , Iturbe Castillo 等报道了在加有外加电场 的光折变介质中的稳态自聚焦效应。随后人们证实 了第二种光折变空间光孤子 屏蔽型空间光孤子 的存在。它是一种稳态空间光孤子。当一束激光纵 向射入加有横向电场的光折变材料时, 在光场的作用 下产生的光生载流子经迁移在材料内部形成很强的 电场。由于光照区的空间电荷场要弱于暗区的空间 电荷场, 通过线性电光效应, 材料的折射率发生变化, 如果折射率 n< 0, 暗区的负折射率大的变化将产生 一个 梯度波导 , 使光束自陷形成空间光孤子。 随后人们又在实验中发现了光伏空间光孤子 , 它 依赖于块状光折变材料的光生伏打效应产生空间电 荷场, 而不需要外加电场。最近人们通过实验证明, 在外加电场的光伏光折变材料中同样存在着明、 暗稳 态空间光孤子波 , 称之为屏蔽光伏孤子。它源于对外
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光孤子通信系统基础构架的最新研究进展
光孤子激光器的发展 光孤子技术要应用于实际通信系统中首先取决
于孤子激光器的发展。目前, 光孤子通信的光源大部 分为分布反馈激光器 , 可直接产生具有双曲正割形式 的基阶光孤子, 但由于产生的超短光脉冲具有频率啁 啾, 虽然进行了消啁啾处理 , 仍然不能产生理想的基 阶光孤子。近几年, 国内外都在积极研制一种新型的 光纤孤子激光器 , 并已取得了卓有成效的研究成果。 如 1993 年美国贝尔实验室研制的锁模掺铒光纤环形 孤子激光器 ( ML ED FRL) , 发出的孤子脉冲的脉宽为 18ps; 1995 年日本 NTT 实验室研制 的 ML ED FRL 孤 子脉宽为 10ps, 并且已成功地用于孤子环路传输实验 及现场传输试验 ; 华中理工大学正在研究一种被动锁 模掺铒光纤激光器, 它是采用非线性放大复合环形镜 ( NACLM) 构成的, 结合谐频锁模, 有可能获得重复频 率很高的被动锁模脉冲输出。光纤孤子激光器的研 制成功为实现全光纤孤子通信系统奠定了基础。 3 2 掺铒光纤放大器 ( EDFA) 的发展 目前主要是采用集总式 EDFA 来实现光孤子的
子通信系统的理想传输方案 , 但只能传输 脉宽较宽 ( 大于 15ps) 的孤子脉冲 , 且放大器的间距比较短 ( 30 ~ 60km) 。动态孤子传输方案即对孤子进行预加重, 可增大放大器间距至 60~ 80km, 但导致系统稳定性 差, 必须引入附加控制机制。 近年来 , 为了克服孤子间相互作用引起的速率受 限, 人们又提出了新型的编码方法, 如主要避免线路 上出现 11 和 101 码的 RLL( run length limited) 编码。
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光孤子通信研究发展历程
光孤子通信研究大致可以分为以下 3 个阶段。 第一阶段 ( 1973 年 ~ 1983 年 ) , 提出和演示了光
孤子的传输, 主要成就是研制成功了色心晶体孤子激 光器和色散位移光纤。 第二阶段 ( 1984 年~ 1993 年 ) , 主要研究成果是: 提出 了平均孤 子理论 , 发现了 G H ( Gordon Haus) 极 限; 研制成功了掺铒光纤放大器 ( EDFA) 、 导频滤波器 和滑频滤波器, 为光孤子通信的实用化铺平了道路。 1994 年开始 进入第三阶段 , 这是光孤 子通信走 向实用化的阶段 , 主要解决光孤子通信所用元器件的 实际问题 ( 例如可靠性、 环境适 应能力、 成 本和价格
在光纤中传输时发生的非线性效应 , 它又可以分为基 于被压缩脉冲本身的自相位调制效应的脉冲压缩技 术和基于被压缩脉冲共同传输的另一强脉冲的交叉 相位调制效应的脉冲压缩技术。这两类方法虽然可 以压缩脉冲 , 但压缩后的脉冲带有严重的非线性频率 啁啾 , 很难消除。近期 , 有人提出了一种新的脉冲压 缩方法 在单模光纤负色散区利用喇曼放大与脉 冲压缩的共同作用由弱脉冲产生超短光孤子。该方 法是让波长位于光纤负色散区的弱脉冲和波长位于 光纤正常色散区的强泵浦脉冲在色散位移光纤中同 时传输 , 在适当选择光纤零色散点的条件下 , 弱脉冲 最终能演化成若干个比其初始宽度窄得多的高强度 基本孤子。经过大量数值计算 , 结果表明 , 由该方法 产生的基本孤子比初始泵浦脉冲和初始弱脉冲都窄 得多 , 峰值功率也比初始弱脉冲的峰值功率高得多, 且具有更高的脉冲重复率。但通过该方法获得的基 本孤子序列在时间上往往是不均匀的, 这可通过简单 的再定时手段加以解决。
y 李 影 女 , 1977 年生 , 在读硕士 02 01 28 收稿
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放大。EDFA 具有高 的增益、 低的噪声系数、 高的输 出光功率、 低的非线性失真等优点。 EDFA 的采用使 系统的传输距离进一步延长 , 通信容量 ( 码速率与传 输距离的乘积 ) 可提高 100 倍以上。EDFA 的发展目 标可归纳为宽带化和大功率化。这两项已开始在系 统中进行实验, 但目前仍存在着增益波动问题。为使 增益平坦可采用增益均衡技术和光纤技术, 增益均衡 技术即利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反 的增益均衡器来抵消增益不均匀性。现阶段主要使 用光纤光栅、 介质多层薄膜滤波器、 PLC( programmable logic controller) 作为均衡器。光纤技术即在进一步研 究掺铒光纤特性的基础上通过改变光纤材料来改善 EDFA 的特性。主要包括研制掺铒碲化物玻璃光纤; 采用多纤芯 EDFA; 在光纤中除掺铒外还掺铝来改变 玻璃组成成分。 3 3 传输技术的发展 EDFA 的引入不可避免地引起了 G H 效应 , 该效 应的存在对光孤子码速率和传输距离带来了很大限 制, 为了克服 G H 效应带来的这种限制 , 人们提出了 一种光孤子控制技术 , 即对光孤子进行时域和频域的 控制。 时域控 制即使用同步调制重新调整由于 EDFA 的放大自发射噪声 ( ASE) 引起抖动的孤子脉冲的位 置, 同时消除邻近孤子间相互作用力。该技术能从根 本上消除放大器自发辐射噪声 , 克服 G H 的限制, 增 大放大器的间距。 频域控制即在光纤 环路中安装具有大约 0. 3~ 0. 4nm 带宽的带通滤波器, 对频谱进行修正, 以便稳 定光孤子的能量。该技术同样能降低噪声能量和孤 子定时抖动, 且结构简单 , 是一种实用的控制技术。 1995 年人们又提出了一种新的光孤子控制技术 色散管理孤子技术。它将色散补偿与色散管理 技术融合在一起 , 整个系统由较大的负色散介质和正 色散介质交替连接构成, 虽然局部的色散值较大但整 个传输线上的平均色散值较小。色散管理孤子由于 有较高的入纤功率使得通信信噪比高于常规孤子 , 在 高速传输中还不受喇曼效应的影响 , 具有较强的稳定 性。而且色散管理孤子不仅能在光纤反常色散区传 输, 它还能在平均色散为零甚至为正的光纤中传输。 由于色散管理系统中局部大色散值要求入纤的孤子 有一定的预啁啾, 它将减 少邻近孤子之间 的相互作 用, 有利于实现光孤子长距离传输。 同时人们又提出了两种新的传输方案, 即平均孤 子传输方案和动态孤子传输方案。路径平均孤子理 论是由 Mollenauer 于 1991 年提出的 , 是超长距离光孤
