摘要：介紹了光孤子傳輸用的基本部件，分析了光纖孤子通信傳輸和控制技術的研究進展，指出了現階段有待解決問題，最後展望了光孤子通信發展前景。
關鍵詞：孤子理論；光孤子；光纖通信
0 概述
光通信傳 輸速度及傳輸容量主要由光纖的群速色散引起的脈衝展寬決定。但利用群速色散為零的波長進行超高速、長距離通信的限制和弊端已日益明顯地展露出來。而光孤子 技術便是解決這一問題的手段之一。光孤子通信技術一經提出，便顯示出突出的優越性和巨大的發展潛力，並引起人們的廣泛關注。雖然這一領域目前仍處於理論研 究和實驗的階段。但可以預計其很有可能將成為未來超長距離信息傳輸的主要手段。
1 光孤子通信系統
長距離光孤子通信系統由四個基本單元組成：光孤子源、孤子傳輸光纖、孤子能量補償放大器與孤子脈衝檢測接收單元。
1.1 光孤子源
光孤子源是光功率滿足一定要求的，可提供波形穩定無啁啾變換限制的雙曲正割波形或高斯波形光脈衝序列的光源，是實現光孤子通信的關鍵部件。光孤子的產生方法有多種，如早期的色心雷射器、 調製不穩定雷射器、光纖Raman（拉曼）孤子雷射器與受激參量孤子雷射器及多級壓縮孤子雷射器等。1980年，Bellcore的Mollenauer 使用1.55μm的銷模色心雷射器和低損耗光纖，首次在實驗室觀測到光孤子。1989年，又利用單模光纖的受激拉曼分布放大進行能量補償，採用光纖循環結 構模擬長距離傳輸系統，實現55ps的孤子在42km的光纖環中穩定傳輸6000km。現在比較流行的光孤子源有鎖模外腔半導體激 光器（ML-EC-LD）、增益開關分布反饋半導體雷射器（GS-DFB-LD）等。ML-EC-LD產生的脈衝波形較好且頻率啁啾成分較低，但結構復 雜，穩定性差，集成ML-EC-LD是一種較好的孤子源產生方案；GS-DFB-LD結合去啁啾技術，結構簡單，但仍有一定的殘餘頻率啁啾，只要光脈衝的 頻率啁啾足夠小，脈衝便可在光纖中演化為光孤子，因而它是目前光孤子傳輸系統中重要的光源；ML-ER-FRL是一種新穎的超短光脈衝源，它能直接產生孤 子，無啁啾，可自啟動並易於與光纖連接，結構較簡單，也是目前使用較多的光源。
1.2 光孤子傳輸用光放大器
理想的孤子通信系統要求傳輸標準的雙曲正割波形的超短雷射脈衝，在傳輸過程中具有保形及穩定傳輸的特點。光中繼放大器僅起放大幅度的作用，這種脈衝作用 為信息載體，能實現高速大容量通信。但在實際的孤子通信系統中，往往存在高階色散與非線性損耗及系統部件參數的隨機變化等；而輸入波形則可能偏離雙曲正割 波形，含有頻率啁啾或光源噪聲；光中繼放大器除了放大孤子脈衝外，還引入自發輻射噪聲。光孤子的穩定傳輸要求脈衝無能量衰減，但這些光源、光中繼放大器及 傳輸線的非理想狀態將給孤子傳輸帶來不利，使孤子能量損失、脈寬展寬、傳輸容量減小，因而必須為孤子補充能量。
光放大器在光孤子通信系統中用於補償孤子傳輸過程中的能量損耗，是實現高速長距離通信的另一關鍵部件，主要有四種光放大器可實現光孤子放大，它們是半導體光放大器（SOA）、摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布式摻鉺光纖放大器（D-EDFA）和拉曼光纖放大器。
SOA的特點是尺寸小、頻帶寬、增益高，易和其他光電子器件混合集成，可工作於整個光纖的低損耗窗口，但與光纖耦合損耗太大，噪聲也大，且增益對光纖的極化和環境溫度很敏感，穩定性差。
EDFA具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、泵浦功率低、可用半導體雷射器作為泵源、偏振不敏感等特點，特別適用於高速長距離通信應用。Nakazawa等人在1989年首先用EDFA成功地實現了20GHz的孤子穩定傳輸。
D-EDFA採用摻Er3+濃度低、增益係數低、截止波長長、數值孔徑大、負色散區寬的三角形折射率分布的摻鉺光纖，並採用1480nm雙向泵浦技術，以減少損耗，降低沿線能量起伏，可達到約100km的放大或泵站間距。
早期Hasegawa等人建議利用傳輸光纖的受激Raman放大補償光纖損耗，不久Mollenauer等人用此方案實現了4000km孤子穩定傳輸。 拉曼放大器為發布式補償放大、波動小、穩定性好，但拉曼放大的泵浦效率低，所以要求泵浦功率高。目前，很難用於實際通信系統，但是隨著技術的發展，此類放 大器也會用於實際信息傳輸系統中，並將會大大改善光孤子通信的性能。
2 光孤子傳輸技術剖析
光孤子傳輸系統的距離碼速乘積的上限受到多個參數的影響，包括光脈衝佔空比、光纖的有效截面、光纖非線性係數、光纖損耗、光纖色散、放大器自發輻射因子、放 大器間距等等。為實現光孤子的長距離傳輸，必須合理選擇光纖色散、放大器間距、放大器增益，傳輸距離、孤子脈寬、孤子入纖峰值功率、接收機判決門限等參 數，處理ASE（放大自發輻射）噪聲與Gordon-Haus限制、孤子相互作用、系統參數失配、非均勻擾動及由此產生的色散波與不穩定性。
早期的孤子傳輸實驗將普通單模光纖作為傳輸媒質，存在色散大、孤子閾值功率高等問題。為解決這些問題，採用色散位移光纖（DSF），並形成一種DSF和EDFA周期性級聯的孤子傳輸系統組成方案，這一傳輸方案一直沿用至今，成為光孤子傳輸系統的基本組成方案。