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1、 集成光电子学进展Progress in Integrated Optoelectronics 第 12 号主办单位 集成光电子学国家联合重点实验室2003 年 4 月顾问委员会 (按姓氏笔划排序)王启明 陈良惠 张 以谟 张克潜 周炳琨 高鼎三 梁春广 简水生编委会 (按姓氏笔划排序)主 任： 罗 毅副主任： 黄永箴委 员： 王玉堂 刘式墉 任晓敏 余金中 杜国同杨 辉 林世鸣 范希武 董孝义责任主编： 王 莉集成光电子学 进展通信处： 北京 912 信箱图书信息中心邮编：100083 电话：82304315E-mail:目录前沿光通信光孤子通信技术的现状与未来 (2)有源器件光纤激光器的新
2、进展 (8)无源器件光纤光栅器件及其在光通信技术中的应用 (15)紫外写入法制作阵列波导光栅 (22)高技术工艺设计罗兰园（一） (26)微光机电技术微光机电系统的应用领域及近期进展 (28)高技术简讯美澳科学家推进太空激光通信 (35)单电子发光二极管 (35)属原子移动导致有机发光二极管雪崩（35）平板显示器中的薄膜集成技术（36）制造纳米大小的电子元件（36）微型晶体管尺寸接近纳米（36）玻色-爱因斯坦凝聚物中的亮孤子（37）光子的质量究竟有多大（37）美科学家研制出原子级纳米“晶体管” （38）纳米器件取得良好实验效果（38）人造纳米团簇两维超晶格的制备和研究（38）科学家观察到引力场
3、中的量子效应（39）量子博弈论开辟量子计算机应用新前景（39）前 沿 光 通 信光孤子通信技术的现状与未来 *蔡 炬 杨祥林（南京邮电学院光信息技术系，江苏南京 210003）摘 要： 回顾了光孤子通信研究的发展历程，介 绍了普通光孤子通信及色散管理光孤*国家自然科学基金资助项目（No.60072046）。蔡炬，男，1970 年出生。博士生， 讲师。主要从事高速光通信技术的研究子通信系统的构成、工作原理及其 优点，介 绍了国内外光孤子通信研究的 现状及发展动向，最后介绍了实用化研究的进展和成果，并 对其应用前景进行了展望。关键词： 光孤子；色散管理；非线性；定时抖动1 引 言孤子是英文“Sol
4、iton”的译名，首先是在流体力学中提出来的。1834 年，英国海军工程师 Scott Russell 观察到 1 ，在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，当船突然停下时，在船头会形成一个孤立的水波迅速离开船头，以 1415km/h 的速度前进，而波的形状不变，前进了 23km 才消失。他称这个波为孤波。光学中孤波现象的研究始于 1965 年，先后发现了自聚焦空间孤子与非线性介质波导中的传输孤子。在光学中，孤子这个词用来描述光脉冲包络在非线性介质中传播时的类似于粒子的特性，在数学上是非线性波动方程的局域行波解，在一定条件下，这种包络孤波不仅不失真地传播，而且象粒子那样经受碰撞仍保持原来的形状而继续
5、存在，称为光孤子。1973 年，Hasegawa 和 Teppert 首次从理论上推断，无损光纤中能形成光孤子 2，3 。1980 年，贝尔实验室的 Mollenauer 等人用实验方法在光纤中观察到了孤子脉冲 4 ，1981 年，Hasegawa 和 Kodama 提出将光纤中的孤子作为信息载体用于通信，构建一种新的光纤通信方案，称为光孤子通信。光孤子通信能提供非常高的传输速率，对偏振模色散（PMD）有抑制作用，具有保形传输的特点，而且能够传输极长的距离而不发生形变。由于它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出 12 个数量级，中继距离可达上百公里，
6、因此光孤子通信很快成为研究的热点，并被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一 1 。光孤子通信提出 20 多年来，已取得突破性进展，光纤中的孤子即将变为实用的信息载体，ITU 已提出了光孤子通信系统标准建议，美国电讯杂志将光孤子通信技术列为 2000年电信发展十大热门技术之首。光孤子通信技术将变成一类新的商业化的通信技术。本文将介绍光孤子通信技术的研究成果及发展走向。2 光孤子通信系统的工作原理2.1 光纤孤子传输系统的基本构成光纤中的孤子通信是利用光纤色散与非线性相互作用平衡时实现的一种光纤通信方式。光纤中的群速色散（GVD）使脉冲在传输过程中不断展宽，而光纤的非线性使脉冲压缩。这两种因素之
7、间具有一定的关系，当色散与非线性的相互作用达到平衡时，脉冲的展宽和压缩刚好抵消，孤子在传输过程中将始终保持形状不变，从而可以实现超长距离传输。由于光孤子是色散与非线性相互作用达到平衡时的产物，所以光纤特性对光孤子的形成、传输演变特性与通信能力有决定性影响，是支撑光纤孤子通信的决定性因素。同时，光纤损耗也会导致孤子脉冲展宽，幅度降低。目前，已经开发出能平衡损耗并保持孤子脉冲波形的光放大器。然而，光放大器会产生放大器自发辐射（ASE）噪声，将使孤子脉冲在时域内发生抖动，称为 Gordon-Haus.（G-H）定时抖动。G-H 定时抖动使孤子不能准时到达接收端，从而造成系统误码率升高。近年，重新提出
8、的喇曼放大器（SRA）比目前常用的掺铒光纤放大器（EDFA）具有更小的 ASE 噪声，因此来自光纤自身的受激喇曼散射放大器更适合于作光孤子通信系统的放大器。图 1 光纤孤子传输系统基本构成光孤子通信系统的基本组成结构如图 1 所示，图中 Tx 为光孤子发送端，SS 为光孤子源，Mod 为光调制器，BA 为功率放大器，ISO 为隔离器，STF 为孤子传输光纤，LA 为线路放大器，TCS 为光孤子传输控制装置，PA 为前置放大器，Px 为光孤子接收终端。光孤子发送终端由超短脉冲半导体或铒光纤激光器、光调制器、信息源和光纤功率放大器构成，用于产生光孤子脉冲信号；光孤子接收终端由宽带光接收机或分析仪、
9、误码仪及条纹相机构成，用于接收光孤子信号及测试系统传输特性；光孤子传输线路由光隔离器、线路放大器、传输控制装置、前置放大器以及普通单模光纤（G.652）或色散位移光纤（G.653）构成。光隔离器（ISO）是一种利用法拉第旋光效应制成的只允许光单向传输的器件，用以阻挡反向光对系统性能造成干扰。人射光隔离器可以阻挡光纤中反向 ASE 噪声对系统发射器件造成干扰，以及避免反向 ASE 在输入端反射后又进入放大器中产生更大的噪声；输出光隔离器则可避免输出的放大光信号在输出端反射后进入放大器的掺铒光纤中消耗粒子数，从而影响掺铒光纤的放大特性。光孤子能量补偿放大器由掺铒光纤放大器（EDFA）或半导体光放大
10、器（SOA）组成，也可用传输光纤本身的受激喇曼放大（SRA）或在传输光纤中掺入稀土铒元素构成的分布式铒光纤放大（D-EDFA）系统组成；光孤子传输控制装置由导频滤波器、强度或相位光调制器、非线性元件和色散补偿光纤等构成。设置在沿传输系统不同的区段，用于清除或降低 ASE 噪声、相邻孤子相互作用与各种高阶扰动对孤子通信系统通信容量的限制，提高孤子传输特性的稳定性。光孤子源产生的光孤子脉冲流经调制器将要传输的信号加载于光孤子流上，然后经功率放大器放大后进入光纤传输。沿途有若干线路放大器补偿光孤子的能量衰减，同时平衡色散与非线性的相互平衡，以保证光孤子的幅度与形状稳定不变。在接收端通过光孤子检测装置
11、及其它辅助设施实现信号的还原。2.2 色散管理光孤子传输方案20 世纪 90 年代初期，孤子通信系统普遍采用色散位移恒色散光纤传送光孤子，即整个系统的光纤均使用相同色散值的 G.653 光纤。这种恒色散孤子通信系统中传输的普通孤子的波形为双曲正割(sech)形。为实现高速长距离传输，需要采用频域、时域和非线性增益控制技术来降低系统中的由于 ASE 噪声导致的 G-H 定时抖动。虽然不采用控制技术也能达到10000km 以上的通信距离，但速率均低于 5Gb/s，一般为 2.5Gb/s。而采用上述控制技术的系统结构与设计比较复杂，系统工程化、实用化难度较高。1995 年前后，世界众多科学家开始探索
12、新的简单的孤子传输方案，并将在线性系统中得到广泛应用的色散补偿技术引入孤子通信系统中。所谓的色散补偿就是在传输线路上配置的适当的色散系数为负值的色散补偿光纤，这样配置的系统其路径平均色散可以很小，从而降低了孤子对传输光纤的要求。图 2 为强色散管理孤子传输系统的一种色散分布示意图 6 。图 2 强色散管理孤子传输系统的一种色散分布示意图图中 D 为色散系数， Dt为 SMF 的色散系数， D2为色散补偿光纤的色散系数为路径平均色散，为路经平均色散， z 为传输距离， z1为一个色散管理周期中色散补偿光纤的长度， z2为一个色散管理周期中 SMF 的长度。在有色散补偿的系统中传输的孤子称为色散管
13、理孤子（DMS） ，它的振幅、脉宽和啁啾都会周期性变化。色散管理孤子完全不同于均匀色散系统中的普通孤子，这种色散管理孤子方案的 G-H 定时抖动低，信道内和相邻信道间的孤子相互作用弱，比特率高，路径平均色散值低，信噪比（SNR）高，易于实现 DWDM，将有可能成为下一代高速长途通信的最佳方案。从商业应用角度看，色散管理孤子方案不仅可在专门设计的新建高速大容量长途越洋系统中应用，比普通孤子系统具有更长的光中继距离120140km（普通孤子系统仅 3050km） ，而且还突破了过去传统的看法，孤子通信也可在中短距离的陆地广域网、城域网和局域网中应用，特别是对已建光纤通信网（采用 G.652 光纤）
14、的扩容升级。这将大大降低从现有通信系统升级到（色散管理）孤子通信系统的成本。2.3 光孤子通信系统的关键技术20 世纪 80 年代末，随着半导体孤子源和掺铒光纤放大器的研制成功，色散位移光纤的推广应用，确立了光孤子通信的基本结构模式为：半导体孤子源+掺铒光纤放大器（或喇曼放大器）+色散位移光纤（或半导体孤子源）+掺铒光纤放大器（或喇曼放大器）+普通单模光纤+色散补偿光纤。围绕系统设计的要求，科学家们开展了广泛研究，现在系统设计要求的各种关键技术均已取得突破，包括以下几个方面 7 。2.3.1 光孤子源已研制成各种特性优良的半导体光孤子源和掺铒光纤环形激光器孤子源，包括外腔锁模分立和集成半导体光
15、孤子源（MLECLD） （Bell, CNET） ，增益开关分布反馈半导体光孤子源（GSDFBLD） （NTT） ，增益开关多量子阱分布反馈半导体光孤子源（GSMQWLD）（NTT，KDD，CNET） ，电吸收调制多量子阱半导体光孤子源（EAMMQWLD） （NTT，CNET）和主、被动锁模光纤环形光孤子源（ML-EFRL） （BTL，NTT，Bell） 。2.3.2 光孤子能量补偿放大器已研制成各种性能优良的掺铒光纤放大器（EDFA） 、喇曼放大器（RA）和半导体光放大器（SOA） ，均可作为孤子能量补偿放大器。2.3.3 高速、大容量孤子脉冲信号的复用/解复用技术采用平面波导电路（二级马赫
16、一曾德干涉仪 MZI）实现了高速光孤子脉冲的时分复用（OTDM） ，采用电吸收强度调制器实现了高速 OTDM 光孤子脉冲信号的解复用，采用光纤或平面光波导电路 WDM/DWDM，实现了多波长信道光孤子脉冲的复用和解复用。2、3 两种关键技术是光孤子通信和线性光纤通信系统的共享技术。2.3.4 光孤子的传输控制技术采用固定频率导频滤波器和滑频滤波器实现了光孤子传输的频域无源控制，采用幅度和相位调制构建了 3R 全光再生中继器，实现了光孤子传输的时域有源控制；采用非线性环镜（NOLM）实现了超高速光孤子的强度滤波控制。此外，还实现了信号频率滑动控制和相位共轭传输控制。3 国内外研究进展及前景3.1 国外研
