基于光孤子系统的传输与控制技术

文章摘要：2光孤子传输技术剖析光孤子传输系统的距离码速乘积的上限受到多个参数的影响，包括光脉冲占空比、光纤的有效截面、光纤非线性系数、光纤损耗、光纤色散、放大器自发辐射因子、放 大器间距等等。为实现光孤子的长距离传输，必须合理选择光纤色散、放大器间距、放大器增益，传输距离、孤子脉宽、孤子入纤峰值功率、接收机判决门限等参 数，处理ASE（放大自发辐射）噪声与Gordon-Haus限制、孤子相互作用、系统参数失配、非均匀扰动及由此产生的色散波与不稳定性。早期的孤子传输实验将普通单模光纤作为传输媒质，存在色散大、孤子阈值功率高等问题。为解决这些问题，采用色散位移光纤（DSF），并形成一种DSF和EDFA周期性

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　　2　光孤子传输技术剖析

　　光孤子传输系统的距离码速乘积的上限受到多个参数的影响，包括光脉冲占空比、光纤的有效截面、光纤非线性系数、光纤损耗、光纤色散、放大器自发辐射因子、放 大器间距等等。为实现光孤子的长距离传输，必须合理选择光纤色散、放大器间距、放大器增益，传输距离、孤子脉宽、孤子入纤峰值功率、接收机判决门限等参 数，处理ASE（放大自发辐射）噪声与Gordon-Haus限制、孤子相互作用、系统参数失配、非均匀扰动及由此产生的色散波与不稳定性。

　　早期的孤子传输实验将普通单模光纤作为传输媒质，存在色散大、孤子阈值功率高等问题。为解决这些问题，采用色散位移光纤（DSF），并形成一种DSF和EDFA周期性级联的孤子传输系统组成方案，这一传输方案一直沿用至今，成为光孤子传输系统的基本组成方案。

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　　Shiojiri和Fujii提出采用增大孤子幅度方法来增加放大器间距，称为预加重。在用DSF和EDFA长距离孤子传输系统中，合理选择方案和系统参数是保证脉冲稳定传输的前提。然而，无论何种系统方案，均离不开预加重措施的使用。

　　但是在采用预加重措施之后，在传输距离L过大时，脉冲仍将失去孤子特性。为此在传输系统中应考虑另一个重要参数，即放大器间距La。放大器间距与系统中 的许多参数如光纤损耗、色散、脉冲宽度、预加重因子等有关。从应用角度看，La应尽可能地大，以减少整个系统成本，但从孤子传输性能来看，放大器间距越 小，放大特性越接近分布放大，有利于孤子传输的稳定。对于目前考虑的孤子通信系统，放大器间距一般取几十公里。当孤子系统的La确定后，色散长度Ld会随 脉宽与色散的变化而变化，归一化放大器间距Za=La/Ld有可能出现远小于1，约等于1或远大于1等多种情况，与此相应的有平均孤子传输、动态孤子传输 和绝热孤子传输等不同传输方式。

　　预加重系统设计中，就幅度加重因子究竟应该多大，提出过几种方案：1）随脉宽变化确定，预加 重功率引起的脉冲变窄正好补偿损耗引起的脉冲展宽，这种方案称为动态孤子通信方案。这种方案是基于孤子幅度在一定范围内变化时，表征孤子特征的面积不变定 理，其优噗是放大器间距与孤子周期可比拟。2）随功率变化确定，使加重后孤子脉冲的路径平均功率等于不考虑光纤损耗时的基态孤子功率，故又称为平均孤子通 信方案。

　　这一制约条件使La不能太大，通常La远小于孤子周期，但传输非常稳定。而绝热孤子方案利用两个放大器间的传输绝热特性，其加重因子比平均孤子传输所需的大，且不如平均孤子传输稳定。

　　3　光孤子通信系统控制技术

　　对光孤子通信系统进行控制的常见方法有：频域滤波控制、时域同步幅度调制控制和同步相位调制控制、非线性增益控制、色散补偿与色散配置控制等。

　　频域滤波控制，是在周期性集总放大孤子传输系统每一光纤放大器（EDFA）后插入光滤波器，称为导频滤波器，以滤除EDFA产生的ASE噪声边带，实现 稳定传输。这种控制方案亦称为带宽限制放大控制方案。光滤波器通常采用空气隙尾纤型滤波器，基本结构是一种法布里珀罗（E-P）标准具，由两块高反腊平行 镜片构成腔体。

　　为克服ASE噪声和Gordon-Haus效应对通信容量的限制，Nakazawa等人提出了另一种传输控制 方案，称为同步幅度调制控制，此方案是在孤子传输线上，周期性地提取时钟脉冲，控制接入线路的电光幅度调制器，对通过调制器的孤子脉冲进行整形和定时，实 现抑制孤子到达时间抖动的目的。这是一种时域控制技术，不仅能克服Gordon-Haus效应影响，对抑制相邻孤子的相互作用亦十分有效。同步相位调制控 制方案是利用从孤子传输系统中提取的时钟脉冲，控制经过相位调制器的光孤子脉冲，对光孤子中心频率进行调整，达到抑制孤子到达时间抖动的目的。1993年 Smith对同步相位调制控制孤子传输系统中的孤子定时抖动进行过初步分析，发现在传输系统中点插入单级相位调制器，可使孤子到达时间抖动方差降低 80％。

　　采用频域和时域控制，扼制ASE噪声和Gordon-Haus效应，提高光纤孤子通信系统通信容量的方法，是孤子传 输控制的两种基本方法。采用滤波器构成的带宽限制频域控制系统，能扼制Gordon-Haus效应，但由于补偿滤波器插入损耗的附加增益，会引起滤波器中 心频率附近色散波累积，导致系统稳定下降，通信容量得不到很大的提高。

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