光纖通信新技術1課件

第三講光孤子通信技術光纖通信新技術第三講光孤子通信技術光纖通信新技術1光孤子通信孤立波1834年，英國科學家羅素（Russell)首次提出了孤立波的概念。孤立波實際上是某些非線性偏微分方程的一類特解，它是一種在傳輸過程中形狀和速度均保持不變的脈沖波。孤立波在相互碰撞后仍保持各自原來的形狀和速度，好像是些粒子，所以也稱為孤立子（soliton)。孤立波解往往與非線性色散波方程相聯(lián)系，它反映了自然界一種相當普遍的非線性現(xiàn)象。光孤子通信孤立波2光孤子通信光孤子1973年首先由Hasegawa（長谷川）提出；1980年Mollenaner在實驗上首次證實了光纖中光孤子的存在。所謂光孤子是經(jīng)過光纖長距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖。光孤子與一般的光脈沖不同，它的脈沖寬度極窄，而其功率又非常大。光孤子在傳輸過程中脈沖不會改變形狀，或者會周期性地改變形狀；前者稱為基態(tài)孤子，后者稱為高階孤子。光孤子通信光孤子3光纖通信新技術1課件4光孤子通信光孤子的形成在光纖中傳輸高功率窄脈沖光信號時，由于非線性效應(自相位調(diào)制SPM)和色散效應(群速度色散GVD)的相互抵消作用，可產(chǎn)生光孤子。光孤子通信光孤子的形成5光孤子通信SPM引起的啁啾（脈沖被線性調(diào)頻）光孤子通信SPM引起的啁啾（脈沖被線性調(diào)頻）6色散引起的脈沖展寬正常色散區(qū)反常色散區(qū)色散引起的脈沖展寬正常色散區(qū)反常色散區(qū)7光脈沖在反常色散光纖中的傳輸對反常色散光纖，群速度與光波載頻成正比。具有正啁啾（紅頭紫尾）的光脈沖通過反常色散光纖時，脈沖被壓縮。具有負啁啾（紫頭紅尾）的光脈沖通過反常色散光纖時，脈沖則被展寬。光脈沖在反常色散光纖中的傳輸對反常色散光纖，群速度與光波載頻8光孤子通信光孤子的形成考慮到非線性效應，傳輸常數(shù)可展為以下級數(shù)：

適當選擇相關參數(shù)，可使光纖色散和非線性效應相互抵消，因而輸入脈沖寬度保持不變，形成穩(wěn)定的光孤子。與色散有關與非線性效應有關光孤子通信光孤子的形成與色散有關與非線性效應有關9光孤子的傳輸特性1.光強很低時（N<<1），脈沖主要表現(xiàn)出光纖的色散效應，不存在光孤子。2.當N=1時，對應于一階光孤子，非線性正好抵消了由于光纖色散引起的展寬效應，結果在光纖沒有損耗的情況下，脈沖沿光纖傳輸時波形保持不變。光孤子的傳輸特性10光孤子的傳輸特性3.當N＞1時，產(chǎn)生高階光孤子（N階），脈沖形狀在傳輸過程中顯示出周期性的變化。光孤子的傳輸特性11光孤子通信系統(tǒng)的組成孤子源：摻餌光纖孤子激光器、鎖模半導體激光器輸出功率較大，脈沖很窄（ps量級）的變換限制雙曲正割或高斯型超短脈沖串。孤子能量補償放大器：EDFA光強度下降到一定值時,非線性效應減弱,影響孤子形狀.光纖傳輸系統(tǒng)：孤子傳輸光纖，孤子脈沖信號檢測接收單元。光孤子通信系統(tǒng)的組成12

圖7.37光孤子通信系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)(a)光孤子通信系統(tǒng)構成方框圖；(b)循環(huán)光纖間接光孤子實驗系統(tǒng)圖圖713光孤子通信系統(tǒng)的容量系統(tǒng)傳輸速率（Gbps）傳輸距離（km）光纖線路直接實驗系統(tǒng)10100020350循環(huán)光纖間接實驗系統(tǒng)2.412000改進實驗系統(tǒng)101000，000光孤子通信系統(tǒng)的容量系統(tǒng)傳輸速率傳輸距離光纖線路直接實驗系統(tǒng)14光孤子通信的優(yōu)越性光孤子通信克服了色散的制約，適用于超長距離、超大容量通信系統(tǒng)。容量大、頻帶寬、增益高，可從根本上改變現(xiàn)有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來的損耗接口不方便。沒有使用電子元件，可以工作在很高的溫度下工作，甚至是1000℃的高溫。事實上,對于單信道系統(tǒng)來說,光孤子系統(tǒng)性能不如零色散波長的常規(guī)系統(tǒng),但由于可用于DWDM系統(tǒng),因此具有更廣闊的應用前景.光孤子通信的優(yōu)越性光孤子通信克服了色散的制約，適用于超長距15光纖通信新技術1課件16與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題EDFA（摻餌光纖放大器）光孤子在使用EDFA的系統(tǒng)中能穩(wěn)定傳輸?shù)奶匦允枪夤伦油ㄐ拍軐嵱玫囊粋€關鍵。因為光纖的損耗不可避免的消耗孤子能量，當能量不滿足孤子形成的條件時，脈沖喪失孤子特性而展寬，需要通過EDFA給孤子補充能量，孤子即自動整形。利用孤子這一特性，可進行全光中繼，不再需要像常規(guī)光纖通信系統(tǒng)那樣在中繼站進行光-電-光的轉換，實現(xiàn)了全光傳輸，一般每30～50km加一個EDFA，是一種集總式能量補充方式。與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題EDFA（摻餌光纖放大器）17與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題預加重技術預加重技術，也稱為動態(tài)光孤子通信。在放大器的間距與孤子的特征長度可比擬時，如果使進入光纖的脈沖峰值功率大于基態(tài)孤子所要求的峰值功率，則所形成的孤子也能長距離穩(wěn)定傳輸，這種技術通常被稱為預加重技術，也稱為動態(tài)光孤子通信。與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題預加重技術18與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題抑制戈登-豪斯效應所謂戈登-豪斯效應是一種抖動。放大器的自發(fā)輻射噪聲，是一種不可避免的熱噪聲，它與孤子相互作用后，造成孤子中心頻率的隨機抖動，進而引起孤子到達接收端的抖動，即戈登-豪斯效應。這一效應會限制孤子傳輸系統(tǒng)的容量(3×104Gbit／km），是放大器間隔等系統(tǒng)指標的重要因素。解決的辦法是在放大器后加一個帶通濾波器即能較好的抑制戈登一豪斯效應。與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題抑制戈登-豪斯效應19與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題光孤子復用光孤子也可實現(xiàn)波分復用，即利用不同波長的光孤子在同一光纖中傳輸。也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纖中傳輸，即偏振復用，進一步提高傳輸質量和容量。與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題光孤子復用20國內(nèi)外光孤子通信走向動態(tài)光孤子通信研究的三個階段1973～1980年為第一階段：美國貝爾實驗室的A.Hasegawa于1973年提出將光孤子應用于光通信的設想，至1980年Mollenaner在實驗上首次證實了光纖中光孤子的存在。1981～1990年為第二階段：主要工作是關鍵部件的研制，第一支色心鎖模孤子激光器CCL，揭開了實驗研究的序幕。1991年~現(xiàn)在為第三階段：主要工作是建立實驗系統(tǒng)并向實際應用邁進。半導體激光器和EDFA在光孤子通信試驗系統(tǒng)中的成功應用，拉開了光孤子通信走向實用化的序幕。科學家認為，本世紀初，全光通信將走向實用化。國內(nèi)外光孤子通信走向動態(tài)光孤子通信研究的三個階段21光孤子通信在美國和日本的實用化進程

美國貝爾實驗室Mollenaner研究小組的實驗系統(tǒng)是世界上最早的光孤子實驗系統(tǒng)。1995年，在日本東京地區(qū)的光纖局域網(wǎng)上，NTT公司首次實現(xiàn)了10Gbit/s、2000km的光孤子現(xiàn)場直通測試，從而將實驗室內(nèi)的實驗轉升為現(xiàn)場實驗，為實用化進程邁出了十分重要的一步。美國貝爾實驗室已成功地將激光脈沖信號傳輸了5920km，還利用光纖環(huán)實現(xiàn)了5Gbit/s、傳偷15000km的單信道孤子通信系統(tǒng)和傳輸11000km總碼速達到10Gbit/s的雙信道波分復用孤子通信系統(tǒng)；美國光譜物理公司已制成能產(chǎn)生4×10-13s的孤立波脈沖信號器件。日本利用普通光纜線路成功地進行了超高20Tbit/s、遠距離1000km孤立波通信；日本電報電話公司在1992年推出速率為10Gbit/s、能傳輸12000km的直通光孤子通信實驗系統(tǒng)。光孤子通信在美國和日本的實用化進程美國貝爾實驗室Molle22光孤子通信在中國1994年摻餌光纖放大器在武漢通過鑒定。使2.488Gbit/s系統(tǒng)具有跨越100～250km無中繼距離的能力。1999年“863”研究項目“OTDM光孤子通信關鍵技術研究”通過了專家驗收。采用色散補償光纖對光脈沖進行壓縮；采用2.5Gbit/s～20Gbit/s的光信號復用；從20Gbit/s的復用系統(tǒng)中提取2.5Gbit/s電時鐘；采用非線性光學環(huán)路實現(xiàn)2.5Gbit／s～20Gbit／s的解復用；采用啁啾光柵對20Gbit／s信號在標準單模光纖中傳輸105km后造成的色散進行補償。研制2.5Gbit／s錦酸鉀強度調(diào)制發(fā)送單元；成功地進行了20Gbit/s、105km的光纖傳輸。光孤子通信在中國1994年摻餌光纖放大器在武漢通過鑒定。23光孤子通信展望光孤子通信展望24實用光孤子通信面臨的困難認識上的分歧光孤子通信在工程和商業(yè)上的應用價值是一個存在爭議的一個論題，有些爭議可歸咎于光孤子通信理論研究初期對這種通信方案的過分夸張，可是實際上并沒有如此理想和特殊的魔力；更主要的是由于EDFA的問世并走向國際光通信市場，在寬帶EDFA通道內(nèi)采用全光線性WDM技術同樣可以實現(xiàn)高速長距離通信(最高已達40GbPs)。盡管如此，以法國新興的Algety電信公司為代表的一方仍確信對40GbPs和更高的傳輸速率確實需要采用光孤子技術。理論和技術上的不完善目前，在光孤子理論的許多方面仍很不深入。如孤子的碰撞、裂變及散射、半導體摻雜光纖及各種飽和光纖中的孤子傳輸問題等；在技術上也有一些問題需要進一步研究解決，例如光孤子通信的碼型與目前ATM、SDH、路由器等網(wǎng)絡設備不一致，從而產(chǎn)生互操作的問題。實用光孤子通信面臨的困難認識上的分歧25

第三講光孤子通信技術光纖通信新技術第三講光孤子通信技術光纖通信新技術26光孤子通信孤立波1834年，英國科學家羅素（Russell)首次提出了孤立波的概念。孤立波實際上是某些非線性偏微分方程的一類特解，它是一種在傳輸過程中形狀和速度均保持不變的脈沖波。孤立波在相互碰撞后仍保持各自原來的形狀和速度，好像是些粒子，所以也稱為孤立子（soliton)。孤立波解往往與非線性色散波方程相聯(lián)系，它反映了自然界一種相當普遍的非線性現(xiàn)象。光孤子通信孤立波27光孤子通信光孤子1973年首先由Hasegawa（長谷川）提出；1980年Mollenaner在實驗上首次證實了光纖中光孤子的存在。所謂光孤子是經(jīng)過光纖長距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖。光孤子與一般的光脈沖不同，它的脈沖寬度極窄，而其功率又非常大。光孤子在傳輸過程中脈沖不會改變形狀，或者會周期性地改變形狀；前者稱為基態(tài)孤子，后者稱為高階孤子。光孤子通信光孤子28光纖通信新技術1課件29光孤子通信光孤子的形成在光纖中傳輸高功率窄脈沖光信號時，由于非線性效應(自相位調(diào)制SPM)和色散效應(群速度色散GVD)的相互抵消作用，可產(chǎn)生光孤子。光孤子通信光孤子的形成30光孤子通信SPM引起的啁啾（脈沖被線性調(diào)頻）光孤子通信SPM引起的啁啾（脈沖被線性調(diào)頻）31色散引起的脈沖展寬正常色散區(qū)反常色散區(qū)色散引起的脈沖展寬正常色散區(qū)反常色散區(qū)32光脈沖在反常色散光纖中的傳輸對反常色散光纖，群速度與光波載頻成正比。具有正啁啾（紅頭紫尾）的光脈沖通過反常色散光纖時，脈沖被壓縮。具有負啁啾（紫頭紅尾）的光脈沖通過反常色散光纖時，脈沖則被展寬。光脈沖在反常色散光纖中的傳輸對反常色散光纖，群速度與光波載頻33光孤子通信光孤子的形成考慮到非線性效應，傳輸常數(shù)可展為以下級數(shù)：

適當選擇相關參數(shù)，可使光纖色散和非線性效應相互抵消，因而輸入脈沖寬度保持不變，形成穩(wěn)定的光孤子。與色散有關與非線性效應有關光孤子通信光孤子的形成與色散有關與非線性效應有關34光孤子的傳輸特性1.光強很低時（N<<1），脈沖主要表現(xiàn)出光纖的色散效應，不存在光孤子。2.當N=1時，對應于一階光孤子，非線性正好抵消了由于光纖色散引起的展寬效應，結果在光纖沒有損耗的情況下，脈沖沿光纖傳輸時波形保持不變。光孤子的傳輸特性35光孤子的傳輸特性3.當N＞1時，產(chǎn)生高階光孤子（N階），脈沖形狀在傳輸過程中顯示出周期性的變化。光孤子的傳輸特性36光孤子通信系統(tǒng)的組成孤子源：摻餌光纖孤子激光器、鎖模半導體激光器輸出功率較大，脈沖很窄（ps量級）的變換限制雙曲正割或高斯型超短脈沖串。孤子能量補償放大器：EDFA光強度下降到一定值時,非線性效應減弱,影響孤子形狀.光纖傳輸系統(tǒng)：孤子傳輸光纖，孤子脈沖信號檢測接收單元。光孤子通信系統(tǒng)的組成37

圖7.37光孤子通信系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)(a)光孤子通信系統(tǒng)構成方框圖；(b)循環(huán)光纖間接光孤子實驗系統(tǒng)圖圖738光孤子通信系統(tǒng)的容量系統(tǒng)傳輸速率（Gbps）傳輸距離（km）光纖線路直接實驗系統(tǒng)10100020350循環(huán)光纖間接實驗系統(tǒng)2.412000改進實驗系統(tǒng)101000，000光孤子通信系統(tǒng)的容量系統(tǒng)傳輸速率傳輸距離光纖線路直接實驗系統(tǒng)39光孤子通信的優(yōu)越性光孤子通信克服了色散的制約，適用于超長距離、超大容量通信系統(tǒng)。容量大、頻帶寬、增益高，可從根本上改變現(xiàn)有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來的損耗接口不方便。沒有使用電子元件，可以工作在很高的溫度下工作，甚至是1000℃的高溫。事實上,對于單信道系統(tǒng)來說,光孤子系統(tǒng)性能不如零色散波長的常規(guī)系統(tǒng),但由于可用于DWDM系統(tǒng),因此具有更廣闊的應用前景.光孤子通信的優(yōu)越性光孤子通信克服了色散的制約，適用于超長距40光纖通信新技術1課件41與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題EDFA（摻餌光纖放大器）光孤子在使用EDFA的系統(tǒng)中能穩(wěn)定傳輸?shù)奶匦允枪夤伦油ㄐ拍軐嵱玫囊粋€關鍵。因為光纖的損耗不可避免的消耗孤子能量，當能量不滿足孤子形成的條件時，脈沖喪失孤子特性而展寬，需要通過EDFA給孤子補充能量，孤子即自動整形。利用孤子這一特性，可進行全光中繼，不再需要像常規(guī)光纖通信系統(tǒng)那樣在中繼站進行光-電-光的轉換，實現(xiàn)了全光傳輸，一般每30～50km加一個EDFA，是一種集總式能量補充方式。與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題EDFA（摻餌光纖放大器）42與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題預加重技術預加重技術，也稱為動態(tài)光孤子通信。在放大器的間距與孤子的特征長度可比擬時，如果使進入光纖的脈沖峰值功率大于基態(tài)孤子所要求的峰值功率，則所形成的孤子也能長距離穩(wěn)定傳輸，這種技術通常被稱為預加重技術，也稱為動態(tài)光孤子通信。與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題預加重技術43與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題抑制戈登-豪斯效應所謂戈登-豪斯效應是一種抖動。放大器的自發(fā)輻射噪聲，是一種不可避免的熱噪聲，它與孤子相互作用后，造成孤子中心頻率的隨機抖動，進而引起孤子到達接收端的抖動，即戈登-豪斯效應。這一效應會限制孤子傳輸系統(tǒng)的容量(3×104Gbit／km），是放大器間隔等系統(tǒng)指標的重要因素。解決的辦法是在放大器后加一個帶通濾波器即能較好的抑制戈登一豪斯效應。與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題抑制戈登-豪斯效應44與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題光孤子復用光孤子也可實現(xiàn)波分復用，即利用不同波長的光孤子在同一光纖中傳輸。也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纖中傳輸，即偏振復用，進一步提高傳輸質量和容量。與普通光纖通信系統(tǒng)不同的技術問題光孤子復用45國內(nèi)外光孤子通信走向動態(tài)光孤子通信研究的三個階段1973～1980年為第一階段：美國貝爾實驗室的A.Hasegawa于1973年提出將光孤子應用于光通信的設想，至1980年Mollenaner在實驗上首次證實了光纖中光孤子的存在。1981～1990年為第二階段：主要工作是關鍵部件的研制，第一支色心鎖模孤子激光器CCL，揭開了實驗研究的序幕。1991年~現(xiàn)在為第三階段：主要工作是建立實驗系統(tǒng)并向實際應用邁進。半導體激光器和EDFA在光孤子通信試驗系統(tǒng)中的成功應用，拉開了光孤子通信走向實用化的序幕。科學家認為，本世紀初，全光通信將走向實用化。國內(nèi)外光孤子通信走向動態(tài)光孤子通信研究的三個階段46光孤子通信在美國和日本的實用化進程

美國貝爾實驗室Mollenaner研究小組的實驗系統(tǒng)是世界上最早的光孤子實驗系統(tǒng)。1995年，在日本東京地區(qū)的光纖局域網(wǎng)上，NTT公司首次實現(xiàn)了10Gbit/s、2000km的光孤子現(xiàn)場直通測試，從而將實驗室內(nèi)的實驗轉升為現(xiàn)場實驗，為實用化進程邁出了十分重要的一步。美國貝爾實驗室已成功地將激光脈沖信號傳輸了5920km，還利用光纖環(huán)實現(xiàn)了5Gbit/s、傳偷15000km的單信道孤子通信系統(tǒng)和傳輸11000km總碼速達到10Gbit/s的雙信道波分復用孤子通信系統(tǒng)；美國光譜物理公司已制成能產(chǎn)生4×10-13s的孤立波脈沖信號器件。日本利用普通光纜線路成功地進行了超高20Tbit/s、遠距離1000km孤立波通信；日本電報電話公司在1992年推出速率為10Gbit/s、能傳輸12000km的直通光孤子通信實驗系統(tǒng)。光孤子通