茎ＶＡ 浅论光孤子通信技术 杨宝贵 （辽宁铁道职业技术学院高级讲师辽宁锦州１２１０００） ［摘要］光孤子通信利用光纤非线性来抵消光纤色散效应，是下一代超高速、长距离、超大容量光纤通信的优选技术。因此，介绍光孤子通信技术的概念和所 优越性应用前景 具有的优越性，从理论上阐明光孤子在光纤通信中部分关键技术；并且归纳光孤子通信技术的应用前景。 ［关键词］光孤子通信 关键技术中图分类号：ＴＮ９１ 文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－－７５９７（２０１Ｏ）０２１００２６－－０２ 在常规的线性光纤通信系统中，光纤损耗和色散是其传输超大容 量和超长距离的主要因素，从而制约了其发展的空间。科学家用了一百多年 的时间来探讨，发现由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散 的作用，利用光孤子进行通信，可以很好解决这个问题。光孤子通信形成 了新一代光纤通信系统，是光通信技术上的一场，也是２１世纪最有发 展前途的通信方式。 １什么是光孤子通信技术 光孤子波，是一种特殊形式的超短脉冲，在频移时，由于折射率的非 线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子。在反常色散 区，光孤子波在光纤中传输波形、幅度、速度都不变，由于孤子具有这些特 殊性质，因而它在非线性光学中得到广泛的应用。由此，逐渐产生了新的 电磁理论——光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一 新领域。 ３．１适合光孤子传输的光纤技术 研究光孤子通信系统的一项重要任务就是评价光孤子沿光纤传输的演 化情况。研究特定光纤参数条件下光孤子传输的有效距离，由此确定能量 补充的中继距离，这样的研究不但为光孤子通信系统的设计提供数据，而 且通常导致新型光纤的产生。 ３．２光孤子源技术 光孤子源是实现超高速光孤子通信的关键。根据理论分析，只有当输 出的光脉冲为严格的双曲正割形，且振幅满足一定条件时，光孤子才能在 光纤中稳定地传输，目前，研究和开发的光孤子源种类繁多，有拉曼孤子 激光器、参量孤子激光器、掺饵光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激 光器和锁模半导体孤子激光器等。现在的光孤子通信试验系统大多采用体 积小、重复频率高的增益开关ＤＦＢ半导体激光器或锁模半导体激光器作光孤 子源。它们的输出光脉冲是高斯形的，且功率较小，但经光纤放大器放大 后，可获得足以形成光孤子传输的峰值功率。理论和验均已证明光孤子传 输对波形要求并不严格。高斯光脉冲在色散光纤中传输时，由于非线性自 相位调制与色散效应共同作用，光脉冲中心部分可逐渐演化为双曲正割 形。 二十世纪七十年代初，光孤子波的观点开始引入到光纤传输中。利用 光孤子传输信息的新一代光纤通信系统，真正做到全光通信，无需光／电转 换，可在超长距离、超大容量传输中大显身手。 利用光孤子进行通信，传输速率将可能高达每秒兆比特。如此高速将 意味着世界上最大的图书馆美国国会图书馆的全部藏书，只需要１００秒就可 以全部传送完毕。由此可见，光孤子通信的能力何等巨大。它被认为是下 一３．３光孤子放大技术 光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。近年来，光孤子通信取得 了突破性进展。光纤放大器的应用对孤子放大和传输非常有利，它使孤子 通信的梦想推进到实际开发阶段。全光孤子放大器对光信号可以直接放 大，避免了目前光通信系统中光／电、电／光的转换模式。它既可作为光端 机的前置放大器，又可作为全光中继器，是光孤子通信系统极为重要的器 件。实际上，光孤子在光纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗。不过 光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这 些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前有两种补偿孤子能量的方 法，一种是采用分布， 的光放大器的方法，即使用受激拉曼散大器或 分布的掺铒光纤放大器：另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放 大器或半导体激光放大器。利用受激拉曼散射效应的光放大器是一种典型 代最有发展前途的传输方式之一。 ２光孤子通信系统优越性 光孤子通信和线性光纤通信比较有一系列显著的优点： １）传输容量比最好的线性通信系统大１～２个数量级。光孤子通信克 服了色散的制约，当光强度足够大时会使光脉冲变窄，脉冲宽度不到一个 ｐｓ，可使光纤的带宽增加１０～１００倍，极大地提高了传输容量和传输距离， 尤其是当光速度超过ｌＯＧｂｉｔ／ｓ时，光孤子传输系统显示出明显的优势。 ２）可以进行全光中继。由于孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化为 一个绝热放大过程，大大简化了中继设备，高效、简便、经济。光孤子通 信和线性光纤通信比，无论在技术上还是在经济都具有明显的优势，光孤 子通信在高保真度、长距离传输方面，优于光强度调制／直接检测方式和相 干光通信。 ３）光孤子通信系统从根本上改进了耦合损耗和兼容问题。光孤子通 的分布式光放大器。其优点是光纤自身成为放大介质，然而石英光纤中的 受激拉曼散射增益系数相当小，这意味着需要高功率的激光器作为光纤中 产生受激拉曼散射的泵浦源，此外，这种放大器还存在着一定的噪声。 集总放大方法是通过掺铒光纤放大器实现的，其稳定性已得到理论和 信系统不但容量大、频带宽、增益高，更可贵的是它能够从根本上改进现有 通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗和兼容问题。 ４）光孤子通信系统解决了高温自动控制和测量。光孤子通信系统由 于没有使用电子元件，可以在很高的温度下工作，甚至是１０００度的高温。这 对高温条件下的自动控制或测量具有划时代的意义，为人类提供了新的理 试验的证明，成为当前孤子通信的主要放大方法。如ＥＤＦＡ掺铒光纤放大 器，光孤子在使用ＥＤＦＡ的系统中能稳定传输的特性是光孤子通信能实用的 一个关键。因为光纤的损耗不可避免要消耗孤子能量，当能量不满足孤子形 成的条件时，脉冲丧失孤子特性而展宽，但只要通过ＥＤＦＡ掺铒光纤放大器 想的传输系统，意义重大。 ３光孤子通信的部分关键技术 近年来，光孤子通信取得了突破性进展。光纤放大器的应用对孤子放 给孤子补充能量，孤子即自动整形。利用孤子这一特性，可进行全光中继， 不再需要像常规光纤通信系统那样在中继站进行光电光的转换，实现了全 光传输，一般每３０～５Ｏｋｍ加一个ＥＤＦＡ，是一种集总式能量补充方式。 ３ ４光孤子开关技术 在设计全光开关时，采用光孤子脉冲作输入信号可使整个设计达到优 化，光孤子开关的最大特点是开关速度快（达ｌＯ￣２ｓ量级），开关转换率 高达１００％，开关过程中光孤子的形状不发生改变，选择性能好。 大和传输非常有利，它使孤子通信的梦想推进到实际开发阶段。光孤子在 光纤中的传输过程需要解决如下问题：光纤损耗对光孤子传输的影响，光 孤子之间的相互作用，高阶色散效应对光孤子传输的影响以及单模光纤中 的双折射现象等。由此需要涉及到的关键技术主要有： 嘏学 爱 科学 ３．５光孤子消除色散技术 域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率 ｌＯ￣２０Ｇｂｉｔ／ｓ提高到ｌＯＯＧｂｉｔ／ｓ以上；在增大传输距离方面采用重定时、整 形、再生技术和减少ＡＳＥ，光学滤波使传输距离提高到１０００００公里以上；在 高性￣ＥＤＦＡ方面是获得低噪声高输出ＥＤＦＡ。 光孤子也可实现波分复用。即利用不同波长的光孤子在同一光纤中传 输；也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输，即偏振复用，进 一众所周知，在光纤通信中，传输距离和传输容量的主要原因是 “损耗”和“色散”。“损耗”使光信号在传输时能量不断减弱；光纤的 色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲， 由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉 冲展宽，使得信号畸变失真，这就是“色散”。现在随着光纤制造技术的 发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实 现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。 如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就 会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，就能在光纤传输中保持不变， 实现超长距离、超大容量的通信。光孤子通信是一种全光非线性通信方 案，其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲 步提高传输质量和容量。另外，如果采用波分复用、偏振复用和正交偏振 等技术，光孤子传输系统的有效码率还可以提高数倍，甚至能达到 Ｔｂｉｔ／ｓ数量级。 未来光孤子传输系统研发的趋势很可能包括三个方面：①重视组合 功能部件的研制，即将光孤子通信系统中的半导体激光器、光纤、放大 器、耦合器等集成在几个大的功能块中，使其更趋于实用化；②随着光纤 孤子激光器、光纤放大器（尤其是掺饵光纤放大器）技术的日趋成熟，使 得几十至几百吉比特率，几千至几万公里的信息传输变得轻而易取。③目 前光孤子传输研究中的光孤子仅限一负色散区的亮孤子，由于光纤正色散 区比负色散区范围大，所以研究在正色散区传输的暗孤子是一个很有价值 课题。因为暗孤子传输的距离比亮孤子长约ｌ倍，而且脉冲展宽较慢，受光 纤损耗的影响比亮孤子也较小，所以暗孤子光纤通信很可能成为未来光孤 子传输的主导方向。 总之，由于光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤 其在海底光通信、洲际陆地通信系统中，有着光明的发展前景，所以尽管 光孤子通信要真正实用化尚须解决一系列技术难题，但相信在不久的将来 的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反 常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光 纤中传输。它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的，利用光 孤子进行通信，中继距离可达几百公里。从光孤子传输理论分析，光孤子 是理想的光脉冲，因为它很窄，其脉冲宽度在皮秒级（ｐｓ）。这样，就可 使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生脉冲重叠，产生干扰。 ３．６光孤子预加重技术 在集总式能量补充系统中，即使光纤的色散有抖动，这种孤子也是稳 定的。在放大器的间距与孤子的特征长度可比拟时，如果使进入光纤的脉冲 峰值功率大于基态孤子所要求的峰值功率，则所形成的孤子也能长距离稳 定传输，这种技术通常被称为预加重技术，也称为动态光孤子通信。 ４光孤子通信技术应用展望 非线性光纤光孤子通信是一种全新的超高速、大容量、超长距离的通信 技术，实验研究证明了光孤子通信技术的可行性。 光孤子传输系统将向着全光纤孤子传输的方向发展。全光式光孤子通 信，被公认为是光纤通信中最有发展前途、最具开拓性的前沿课题。迄今 为止的研究已为实现超高速、超长距离无中继光孤子通信系统奠定了理论 的、技术的和物质的基础。在传输速度方面采用超长距离的高速通信，时 这项技术一定会被推广和应用，光孤子通信实用化的前景马上就会到来。 参考文献： ［１］杨祥林、 温敬扬，光纤孤子通信理论基础［Ｍ］．北京：国防工业出版 社，２０００ ［２］杨祥林， 光纤通信系统［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９９． ［３］黄虎清， 光孤子通信研究的２０年历程及跨世纪展望［Ｊ］．南京邮电学院 学报，１９９６（３） １６一１． （上接第１０７页） 和正常室内的高差也不能轻易取消，必须保证混凝土素浇带的高度。②特 殊部位节点详图不应省略：节点详图是保证使用功能和工程质量关键，质 控制和预防。如混凝土施工，当温度较低时，混凝土会不利于凝结，即使 凝结也呈鸡爪状，强度难以保证，还有电焊施工，环境温度低于一２０＊（３时没 有保护措施，不能施焊。在雨雪天焊接会使接头产生淬硬组织和裂纹。再 有如玻璃幕墙安装在较低温度时，也不能施工，这时的建筑用胶会因低温 量通病大都会在小地方出现。如窗框节点处理不好会出现渗漏、冷桥或裂 缝：屋面细部处理不好就会出现爬水、渗漏等，现在设计和个人经济挂 钩，很多年轻设计师为了效率而将节点详图省略，让施工方自己查图集， 这点尤不可取。③把对构造方面的研究和设计作为重点：很多措旅整改方 案都在通病发生之后才出台，重要的是用这些方案在之前使用来预防。构 造措施是预防质量通病的有力手段，有些质量通病通过构造措施能基本消 除，设计人员和施工企业因紧密配合，将关键部位的构造设计，设计到 位，一旦出现质量通病及时反馈，共同研究措施，在今后的类似施工中普 及，杜绝新的质量问题产生。 ２．４必须严格按照施工工艺操作 建筑产品通过施工得以完成，质量好坏也是在施工过程中形成的。质 量通病之所以产生也是在这个阶段，为了防治质量通病，在施工过程必须 丧失原有功能，会形成质量、安全隐患。⑤采用不同的施工方法和施工工 艺对工程质量影响很大。按操作规程和工法进行旌工是保证工程质量、预 防质量通病的关键。组织施工人员进行必要的施工培训非常必要，可以组 织操作人员学习操作规程等施工技术，要求大家严格执行，并采用自检、 互检、交接检手段予以保证。在具体施工过程中，技术人员应随时和图纸 及规范标准加以比较，尽可能减少通病的发生。 ３结论 本文结合工程技术实践经验，提出优化建筑施工企业现场管理的一些 对策，提高旌工现场管理水平的方法，通过提高管理杜绝质量通病，提高 了施工现场管理水平，确保了建筑质量和使用安全。 严格按照施工工艺和规范要求来操作，重点工序重点控制，可以采取下面 措施：①用科学合理的施工组织设计方案做指导，应编可靠的施工技术方 案，与旖工人员及时做技术交底。方案应具有针对性和可操作性，对十易 参考文献： ［１］聂凯，建筑施工企业项目管理要点探讨［Ｊ］．水力发电，２００４（１）． ［２］张文锦，建筑施工企业的管理信息系统［Ｊ］．铁道建筑技术，２００２（３）． 发生质量通病的地方重点进行强调。②对普通施工人员加强岗位培训，特 殊工种应具有上岗证，如电焊工、防水工、吊车司机、电梯操作司机等。 ③重要设备质量对工程质量具有较大的影响，设各应及时进行校核和检 修。需要出具年检合格证的，必须有合格证，如吊车，有些测量工具也要 ［３］阳波、强茂山，多项目水电开发企业项目组织模式变革探索［Ｊ］．水力 发电，２００６（９）． 定期检验，保证设备和工具的准确性能。④对工程质量影响比较大的还有 环境因素，主要是自然环境条件，如雨、冷天等，必须采取一定措施进行 ［４］崔建新，浅谈如何当好施工企业项目经理［Ｊ］．职业圈．现代软科学， ２００６（３）．
