光孤子通信系统的研究

光孤子通信系统的研究

摘    要

光纤通信具有高速率、大容量、长距离以及抗干扰性强等特点，但光纤的损耗和色散降低了光纤的传输性能，阻碍了光纤通信的发展。随着EDFA的广泛使用，损耗的问题基本解决，光纤的色散便成了目前光纤通信系统中限制光信号传输速率和距离的主要因素。利用非线性效应补偿色散（形成孤子）来保持光脉冲稳定的传输逐渐成为通信的研究热点。

本论文介绍了光孤子的相关理论。首先，介绍孤子形成的机理即用非线性效应来平衡色散效应以实现光脉冲的稳定传输，并讨论了描述光孤子传输的方程及孤子解。若实现超短脉冲的稳定传输仅由非线性效应补偿色散是不能实现的。于是在后续部分介绍了色散管理和密集色散管理的概念，并讨论了有关光脉冲压缩的技术，提出将色散管理和孤子效应压缩相结合以实现超短脉冲稳定传输的新型光孤子压缩方案。最后，用Matlab软件模拟了各种效应对传输孤子的影响。

[关键字] 光孤子；非线性薛定谔方程；色散管理；密集色散管理；光脉冲压缩

目    录

1 绪论 6

1.1 概述 6

1.2 光孤子通信的关键技术 7

1.3 国内外发展状况 7

1.4 论文研究内容及章节安排 8

2 光纤孤子形成的基本原理 9

2.1 群速度色散 10

2.1.1 色散的概念 10

2.1.2 色散的表示 10

2.1.3 色散引起的脉冲展宽 10

2.2 自相位调制 12

2.2.1 光纤的非线性特性 12

2.2.2 非线性特性的表示 12

2.2.3 自相位调制（SPM）效应对光脉冲的影响 13

2.3 GVD和SPM共同作用的情况 14

3 非线性薛定谔方程 15

3.1 非线性薛定谔方程的推导 15

3.2 非线性薛定谔方程的孤子解 18

3.2.1 用逆散射法求解非线性薛定谔方程 18

3.2.2 数值解法 20

4 孤子系统、色散管理孤子系统和密集色散管理孤子系统 21

4.1 光孤子系统 21

4.1.1 光孤子通信系统原理 21

4.1.2 光孤子通信系统的组成 21

4.1.3 光孤子通信系统存在的问题 21

4.2 色散管理孤子系统（DMS） 22

4.2.1 色散渐减光纤 22

4.2.2 DM孤子引入的原因 22

4.2.3 DM孤子的原理 22

4.2.4 DMS的色散图 22

4.2.5 DM的传输特性 23

4.2.6 DM孤子的优势 25

4.3 密集色散管理孤子系统（DDMS） 25

4.3.1 DDM引入的原因 25

4.3.2 DDM孤子的色散图 26

4.3.3 DDM孤子的优势 26

4.4 三个系统的适用范围 26

5 光脉冲压缩技术 27

5.1 光脉冲压缩的物理机制 27

5.2 预啁啾 27

5.3 光纤-光栅对压缩器 27

5.3.1 压缩器的结构图 27

5.3.2 光纤-光栅对压缩器的工作原理 28

5.4 孤子效应压缩器 28

5.4.1 孤子效应压缩器原理 28

5.4.2 孤子效应压缩器的理论模型及数值解法 29

5.4.3 孤子效应压缩器的性能 29

5.5 一种新颖的光孤子脉冲压缩技术 32

6 传输孤子的数值模拟及分析 33

6.1 孤子的形成 33

6.1.1 GVD效应引起的变化 33

6.1.2 SPM引起的变化 34

6.1.3 GVD和SPM共同作用 34

6.2 色散效应及啁啾对光脉冲的影响 36

6.2.1 二阶色散及啁啾在传输过程中对光脉冲的影响 36

6.2.2 三阶色散及啁啾在传输过程中对光脉冲的影响 39

6.3 非线性效应及啁啾的影响 40

总  结 42

谢    词 43

参考文献 44

附录A 外文翻译——原文部分 45

附录B 外文翻译——译文部分 50

附录C Matlab程序代码 54