一切都在发展。在超长距离、超大容量的发展过程中，光通信遇到了光纤损耗和色散的问题，限制了光通信的发展。受大自然的启发，科学家和专业人员发现了特殊的光孤子波，这些光孤子波被认为是光纤中具有恒定波形、振幅和速度的光孤子波。新一代光纤通信系统利用光孤子传输信息，真正实现了无光电转换的全光通信，并能在长距离和超大容量传输中展现其才华，是光通信技术的一次革命。

1光孤子通信概念

1.1对传统光纤通信发展的阻力

众所周知，光纤损耗和色散是限制线性光纤通信系统传输距离和容量的两个主要因素，特别是在GBIT/S以上的高速光纤通信系统中，色散将起主要作用，即因为脉冲展宽会降低系统容量和限制传输距离。

光的色散指的是由于物质的折射率与光的波长有关而发生的一些现象。对于某种物质，折射率n是波长的某种函数:n = f (λ)决定折射率n随波长变化的速度，这称为材料的色散。

色散如何在传输过程中加宽光脉冲信号；正是光纤的色散，使得不同波长的光在光脉冲中的传播速度不一致，导致光脉冲的展宽。

1.2光孤子是如何产生的

1)人们从大自然中获得灵感

1834年，斯科特·拉塞尔观察到船在河中运动时形成的水的波峰，发现当船突然停下来时，被推到船前的水波仍保持其原来的形状、振幅和速度，并向前移动，很长时间后消失。这就是著名的孤波现象。

2)光孤子产生的机理

孤子，又称孤子和孤波，是一种特殊形状的短脉冲，光孤子是光学非线性效应的特殊产物。

当光强较弱时，光纤介质的折射率是恒定的，即n不随光强而变化。然而，在强光的作用下，根据物理晶体光学的克尔效应，光纤介质的折射率不再是常数，折射率增量δ n (t)与光发射[e(t)]2成正比。众所周知，折射率和相位之间有一定的关系，相位和频率之间也有一定的关系，所以光强的变化会引起光信号频率的变化，从而改变光的传播速度。

光纤的群速度色散和光纤的非线性使得孤子在光纤中稳定存在。当工作波长大于1.3μm时，光纤呈现负群速色散，即脉冲中的高频分量传播快，低频分量传播慢。在强输入光场的作用下，光纤中会产生很强的非线性克尔效应，即光纤的分辨率与光场强度成正比，然后脉冲相位与光场强度成正比，即自相位调制，脉冲的后沿比脉冲的前沿移动得快，从而产生脉冲压缩的好处。当压缩效应与仅由色散引起的脉冲展宽效应相平衡时，产生了束缚光脉冲-光孤子，它可以传播很远而不改变其形状和速度。

孤波是一种特殊的波，它只有一个峰值和无限长的波长，在很长的传输距离内可以保持波形不变。受孤波现象的启发，人们引入了孤子的概念，利用光纤作为传输介质，将信息调制到孤子上进行通信的系统称为光孤子传输系统。

1.3光孤子的数学模型和定义

1895年，korteweg和vries提出了著名的kdv方程，从而建立了孤子的数学模型。后来，经过很长一段时间，直到1973年，美国威斯康星大学的a.c .斯科特等人提出了孤子的正式定义:孤子是非线性波动方程的孤子波解，它可以不变形地传播很长一段距离。当它遇到其他类似的孤立波时，它的振幅、形状和速度保持不变。

光孤子的概念可以进一步概括为:当相干光脉冲通过光纤时，脉冲的前部作用在光纤上激活它，而后部受光纤作用而增益，前边缘损失的能量和后边缘获得的能量相互抵消。结果，当光脉冲被传输时，形状没有变化，也就是说，形成了稳定的光孤子。

光孤子通信系统的组成

2.1光孤子通信系统的基本组成

目前，实验系统有很多种，但它们的基本组成部分基本相同。图1显示了基本结构。

图1中的孤子源不是严格意义上的孤子激光器，而是类孤子超短光脉冲源，它产生满足基本光孤子能量和光谱要求的超短脉冲。当在光纤中传输时，这种超短光脉冲被自动压缩和整形以形成光孤子。电信号脉冲源通过调制器将信号传输到光孤子流上，光孤子流经edfa放大后传输到光纤中。沿途需要增加几个光放大器来补偿光脉冲的能量损失。同时，非线性效应和色散效应应该平衡，最终脉冲的幅度和形状应该稳定。在接收端，信号由光孤子检测装置、判决器或解调器等辅助装置恢复。

2.2不同于普通光纤通信系统的技术问题

1)掺铒光纤放大器

光孤子在edfa系统中的稳定传输是光孤子通信实际应用的关键。由于光纤损耗不可避免地会消耗孤子能量，当能量不满足孤子形成条件时，脉冲会失去孤子特性而变宽，但需要edfa补充能量，孤子会自动成形。利用孤子的特性，可以实现全光中继，不再像传统的光纤通信系统那样需要在中继站进行光-电-光转换，实现全光传输。一般每30 ~ 50公里增加一个edfa，这是一种集中能量补充方式。

2)预加重技术

预加重技术，也称为动态光孤子通信。在集总能量补充系统中，即使光纤的色散发生抖动，孤子也是稳定的。当放大器之间的距离与孤子的特征长度相当时，如果进入光纤的脉冲峰值功率大于基态孤子所需的峰值功率，孤子可以稳定地长距离传输。这种技术通常称为预加重技术，也称为动态光孤子通信。

3)抑制戈登-豪斯效应

所谓的戈登-豪斯效应是一种抖动。放大器的自发辐射噪声是一种不可避免的热噪声，它与孤子相互作用，引起孤子中心频率的随机抖动，进而引起到达接收端的孤子抖动，即戈登-豪斯效应。这种效应限制了孤子传输系统的容量，并且是诸如放大器间距等系统指标的一个重要因素。解决办法是在放大器后增加一个带通滤波器，这样可以达到更好的戈登-豪斯效应。

4)光孤子复用

光孤子也可以实现波分复用，即不同波长的光孤子在同一根光纤中传输。不同偏振方向的光孤子也可以在同一根光纤中传输，即偏振复用，从而进一步提高传输质量和容量。

3国内外光孤子通信走向实用化的趋势

3.1光孤子通信研究的三个阶段

1) 1973 ~ 1980年是第一阶段:1973年贝尔实验室的a.hasegawa提出了将光孤子应用于光通信的思想。经过严格的数学推导，他大胆预言在光纤的负色散区可以观察到光孤子，开创了这一领域的研究工作，揭开了现阶段理论研究的序幕。

2) 1981 ~ 1990年是第二阶段:主要工作是开发关键部件。自从光孤子的概念在20世纪70年代初被提出以来，光孤子的存在已经有十多年没有被有效地观察到了。直到1983年，贝尔实验室的mollenauer研究小组首次成功研制出第一台色心锁模孤子激光器ccl，揭开了实验研究的序幕。

3)从1991年至今，是第三阶段:主要工作是建立实验体系，走向实际应用。现阶段，半导体激光器和掺铒光纤放大器在光孤子通信实验系统中的成功应用，开启了光孤子通信的实际应用。科学家们相信，在本世纪初，全光通信将投入实际应用。

3.2美国和日本光孤子通信的实践过程

全光通信系统已在世界范围内首次应用于横跨大西洋的tat-10系统和横跨太平洋的tpc-15系统。美国和日本在光孤子通信领域处于领先地位。

1)贝尔实验室mollenauer研究组的实验系统是世界上最早的光孤子实验系统，首次探测到脉冲宽度为10ps的光孤子在传输10km时没有明显变化，从而首次从实验上证明了光孤子传输的可能性。

2)1995年，ntt公司在日本东京的光纤局域网上首次实现了10千兆比特/秒、2000千米光孤子的现场直接测试，从而将实验室实验转变为现场实验，为实际过程迈出了非常重要的一步。

3)美国:贝尔实验室成功传输了5920公里的激光脉冲信号，并实现了5千兆比特/秒、15000公里传输的单通道孤子通信系统和11000公里传输的总码速为10千兆比特/秒的双通道波分复用孤子通信系统；美国光谱物理公司研制了一种能产生4×10-13s孤波脉冲的信号装置。

4)日本:日本利用普通光缆线路成功实现了超高20位/秒、1000公里长的孤波通信；1992年，日本电报电话公司引进了一个速度为10千兆比特/秒、传输容量为12000公里的直接光孤子通信实验系统。

3.3中国的光孤子通信

1)1994年，掺铒光纤放大器在武汉通过了鉴定

武汉邮电学院研制的掺铒光纤放大器具有高增益、低噪声的特点，其增益特性与光的偏振态无关。在多通道系统中，通道交叉、集群等一系列优势通常可以忽略，达到世界先进水平。通过在发送端增加后掺铒光纤放大器和在接收端增加低噪声前掺铒光纤放大器，2.488千兆位/秒的系统可以无中继跨越100 ~ 250公里。继电器成本可以大大降低。

2)1999年，“863”研究项目“otdm光孤子通信关键技术研究”通过专家验收。

本项目成功研制了增益开关激光器和2.5gbit/s rz脉冲光接收机，并在以下技术领域取得了成功:

a)采用色散补偿光纤压缩光脉冲；

b)采用2.5千兆比特/秒~ 20千兆比特/秒的光信号复用；

c)从20千兆比特/秒多路复用系统中提取2.5千兆比特/秒电时钟；

d)采用非线性光学环路实现从2.5千兆比特/秒到20千兆比特/秒的解复用；

e)利用啁啾光栅补偿在标准单模光纤中传输105公里的20千兆比特/秒信号所引起的色散。

f)研制2.5千兆比特/秒溴酸钾调强发射装置；

g)20千兆位/秒，105千米光纤传输成功。

四光孤子通信的优势和前景

4.1光孤子通信的优势

1)综上所述，光孤子通信克服了色散的限制。当光强足够大时，光脉冲会变窄，脉冲宽度小于ps，可使光纤带宽增加10 ~ 100倍，大大提高传输容量和传输距离。特别是当光速超过10 Gbit/s时，光孤子传输系统显示出明显的优势。光孤子通信作为新一代光纤通信系统，在洲际陆地通信、跨洋通信等超长距离、超大容量通信系统中发挥着重要作用。

2)光孤子通信系统不仅容量大、频带宽、增益高，而且从根本上改变了现有通信中光电器件和光纤耦合带来的损耗和不便，是光纤通信的一次革命。

3)光孤子通信系统可以在很高的温度下工作，甚至可以在1000℃下工作，因为它不使用电子元件。这对高温下的自动控制或测量具有划时代的意义，为人类提供了一种新的理想的传输系统，意义重大。

4.2展望

光孤子通信因其巨大的应用潜力和发展前景而受到全世界的关注，尤其是掺铒光纤放大器技术的快速发展，使得传输数十到数百千兆比特和数千到数万千米的信息变得容易。如此光明的应用前景和诱人的事业，必将吸引众多国内外科技人员为之贡献力量。本世纪初，我们将看到光孤子通信的实际应用。在结束本文之前，我们以图2结束。光孤子通信的现状和前景。