第11章光孤子通信系統(tǒng)

第十一章光孤子通信系統(tǒng)11.1光纖孤子的傳輸控制11.2多信道光孤子系統(tǒng)11.1光纖孤子的傳輸控制11.1.1光孤子通信技術(shù)的基本原理1.非線性薛定諤方程及解法 根據(jù)光學(xué)知識(shí)，光脈沖可以用下列式子表示：E(z,t)=A(z,t)exp［j(ω0t-β0z)］其中：A(z，t)是脈沖包絡(luò)，對(duì)于常用的直接檢波光通信系統(tǒng)我們主要關(guān)心光脈沖的包絡(luò)情況。 在考慮色散作用下，并引入光纖非線性效應(yīng)中自相位調(diào)制作用時(shí)，光脈沖包絡(luò)的傳輸方程可寫為下式［7］： 式中：A(z,t)為脈沖包絡(luò)，β1=1/νg，β2為群速度色散系數(shù)，β3為高階色散系數(shù)，γ是代表自相位調(diào)制效應(yīng)的非線性系數(shù)。2.常見的光孤子源 作為理想情況下的光通信，孤子脈沖應(yīng)該具有很好的確定的形狀、寬度、功率和能量，為了解決這樣的問題，已提出了幾種解決方案。(1)自鎖模摻鉺光孤子激光器 自鎖模摻鉺光孤子激光器原理圖如圖11.3所示。圖11.3自鎖模摻鉺光孤子激光器(2)法布里—珀羅光纖孤子激光器(3)DFB激光器/外調(diào)制孤子源 目前最簡(jiǎn)單也用得比較多的孤子源是如圖11.5所示的DFB激光器/外調(diào)制激光器。圖11.5DFB激光器/外調(diào)制孤子源(4)DFB激光器/集成調(diào)制孤子源 理想情況下，孤子脈沖源應(yīng)該是集成在單個(gè)芯片上的，參考文獻(xiàn)［19］報(bào)道說，用單個(gè)半導(dǎo)體器件—集成的多量子阱DFB激光器/調(diào)制器，已經(jīng)得到脈沖重復(fù)頻率為20GHz、脈寬為7ps的變換限制孤子脈沖。11.1.2光孤子通信技術(shù)的新進(jìn)展 光孤子通信從理論的提出到20世紀(jì)80年代在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)孤子，并提出將光孤子作為一種信息載體用于高速光纖通信已有幾十年的過程了，經(jīng)過廣大科研工作者的不懈努力，光孤子通信系統(tǒng)取得了許多新的進(jìn)展。1.理論研究進(jìn)展 首先，在理論方法方面，基于標(biāo)準(zhǔn)非線性薛定諤方程和逆散射理論，深入研究了理想孤子解的基本結(jié)構(gòu)和特征；基于光孤子通信系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)非線性薛定諤方程，建立了研究光孤子傳輸特性的各種擾動(dòng)理論方法，深入研究了光孤子的動(dòng)力學(xué)過程、動(dòng)態(tài)演化特性、穩(wěn)定性及穩(wěn)定傳輸?shù)臈l件和能力；基于光孤子的粒子性，建立了分析孤子相互作用的各種理論方法，揭示了光時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用系統(tǒng)中光孤子相互作用的機(jī)制和規(guī)律。 其次，在光孤子通信系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)模型方面，基于不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件和性能要求，研究了光孤子傳輸方案和理論模型，建立了平均孤子或?qū)б行墓伦幽Ｐ图皠?dòng)態(tài)孤子和絕熱孤子傳輸方案，確立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本模式。2.色散管理孤子 經(jīng)過十余年對(duì)孤子脈沖傳輸研究，探索了各種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，解決了許多關(guān)鍵技術(shù)，脈沖在光纖中傳輸時(shí)所產(chǎn)生的色散、損耗和非線性是公認(rèn)的三大影響孤子脈沖傳輸?shù)囊蛩?，摻鉺光纖放大器(EDFA)問世后，損耗問題已經(jīng)得到很好的解決， 但是隨著孤子脈沖源脈寬的越來越窄，色散作用越來越影響孤子的傳輸，于是對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償成為一個(gè)緊要的技術(shù)，現(xiàn)在光孤子通信系統(tǒng)的色散補(bǔ)償大體有兩類技術(shù)：一類是弱色散和局部色散補(bǔ)償；另一類是周期性全局強(qiáng)色散補(bǔ)償。3.光孤子通信實(shí)用化研究進(jìn)程 歐共體各國(guó)協(xié)同組建了多項(xiàng)孤子發(fā)展項(xiàng)目，歐洲各相關(guān)光通信公司、研究所和大學(xué)基本上都參加了其項(xiàng)目研究，表11.2給出了其中三個(gè)項(xiàng)目的基本情況。11.2多信道光孤子系統(tǒng)11.2.1多信道光孤子系統(tǒng) 多信道光孤子系統(tǒng)技術(shù)是指光信息流在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸及交換時(shí)始終以光的形式存在。 它具備更強(qiáng)的可管理性、靈活性、透明性與傳統(tǒng)通信網(wǎng)和現(xiàn)行的光通信系統(tǒng)相比，它具有以下多種優(yōu)點(diǎn)：①可提供更大的帶寬，因?yàn)槿饩W(wǎng)對(duì)信號(hào)的交換都在光域內(nèi)進(jìn)行，可最大限度地利用光纖的傳輸容量；②具有傳輸透明性，因?yàn)椴捎玫墓饴方粨Q以波長(zhǎng)來選擇路由，因此對(duì)傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式以及調(diào)制方式具有透明性，即對(duì)信號(hào)形式無限制，允許采用不同的速率和協(xié)議；③具有更高的處理速度和更低的誤碼率；④具有良好的兼容性，不僅可以與現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)兼容，而且還可以支持未來的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)；⑤具備良好的擴(kuò)展性能，網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)擴(kuò)展用戶、容量和種類，新節(jié)點(diǎn)的加入并不會(huì)影響原來網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和原有各節(jié)點(diǎn)設(shè)備；⑥具備可重構(gòu)性，可以根