超高速、超長(zhǎng)中繼距離傳輸一直是光纖通信所追求的目標(biāo)。而光纖損耗、色散和非線性效應(yīng)是其發(fā)展的主要限制因素。光纖的色散使光信號(hào)的脈沖展寬，而光纖中還有一種非線性的特性，光纖的非線性特性在光的強(qiáng)度變化時(shí)使頻率發(fā)生變化，從而使傳播速度變化，這種特性會(huì)使光信號(hào)的脈沖產(chǎn)生壓縮效應(yīng)。

非線性作用會(huì)部分抵消色散所帶來(lái)的脈沖展寬，當(dāng)兩種效應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，光脈沖在傳播過(guò)程中脈沖寬度不再發(fā)生變化，光脈沖就會(huì)像一個(gè)一個(gè)孤立的粒子那樣變成了理想的光脈沖，這種脈寬不再隨傳播過(guò)程變化的理想脈沖，稱為光孤子。  

1.仿真任務(wù)

本課程演示了在由SMF（單模光纖）組成的500km光鏈路上以10Gb/s傳輸?shù)钠骄夤伦酉到y(tǒng)。

光孤子通信系統(tǒng)脈沖器進(jìn)行編碼調(diào)制，通過(guò)光功率放大器(如EDFA)對(duì)傳輸過(guò)程中信號(hào)能力衰耗進(jìn)行補(bǔ)償、并在光纖中進(jìn)行傳輸，光纖中的非線性效應(yīng)抵消色散的脈沖展寬，使光孤子信號(hào)在長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)定傳輸。  

2.仿真步驟

圖1所示為光路圖。  

圖1.光路布局 ?

圖2是用于實(shí)現(xiàn)10 Gb/s傳輸?shù)娜謪?shù)。  

圖2.全局參數(shù)設(shè)置 

圖3為脈沖參數(shù)。  

圖3 脈沖參數(shù)設(shè)置  

我們?cè)O(shè)定：

比特速率      B= 10 Gb/s → TB = 100 ps.

序列長(zhǎng)度      16 bits

脈沖波長(zhǎng)      λ= 1300 nm

TFWHM = 20 ps    —> To = 0.567 TFWHM =11.34 ps

輸入峰值功率   21.7 mW  

圖4和圖5顯示了非線性色散光纖的參數(shù)。

圖4.非線性色散光纖的Main參數(shù)  

圖5.非線性色散光纖的Dispersion參數(shù)  

我們將設(shè)定長(zhǎng)度為50 km、損耗為0.4 dB/km的SMF。  

注：不考慮群延遲和三階色散的影響。

在每條光纖之后，信號(hào)用EDFA進(jìn)行放大。因此，LA=50 km。滿足條件LA＜LD（見(jiàn)圖6）。 

圖6.非線性色散光纖的Nonlinearities參數(shù) 

對(duì)于Kerr非線性系數(shù)γ=n2ω0/cAeff，非線性折射率n2=2.6×10^-20[m²/W].

50 km SMF的線性損耗為20 dB，損耗用增益為20dB的理想EDFA進(jìn)行周期性補(bǔ)償。

該SMF的光孤子峰值功率為5.8mW。平均光孤子的輸入功率為27.1mW。為了證明平均光孤子輸入功率的重要性，我們將考慮具有兩個(gè)不同輸入功率的500km SMF中的光孤子傳播：

——5.8 mW——光孤子峰值功率（功率不足）

——27.1mW——考慮周期性放大的光孤子峰值功率（平均光孤子）

對(duì)循環(huán)數(shù)量0、4、7和10進(jìn)行掃描，用這些循環(huán)來(lái)表示SMF中的傳播距離0、200、350和500km。  

3.仿真結(jié)果

圖7顯示了脈沖的初始模式，以及在SMF中傳輸200、350和500km后的相同脈沖模式。每50km用EDFA進(jìn)行周期性放大，27.1mW的光孤子峰值功率。   

圖7.平均光孤子脈沖  

可以清楚地看到脈沖模式的良好保存。脈沖、光纖和放大參數(shù)對(duì)于平均光孤子是有效的。

圖8顯示了脈沖的初始模式，以及在SMF中傳輸200、350和500km后的相同脈沖模式，以及每50km用EDFA進(jìn)行周期性放大，峰值功率為5.8 mW。   

圖8.功率不足的脈沖模式  

由于使用了不適當(dāng)?shù)拿}沖功率，圖案中的脈沖無(wú)法保持其形式。結(jié)果，脈沖變寬并且出現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

這節(jié)課演示了平均光孤子系統(tǒng)。它要求：

1.滿足絕熱條件LA＜LD；

2.適當(dāng)?shù)拿}沖峰值功率。  

參考文獻(xiàn) ：

[1] G.P. Agrawal, “Applications of Nonlinear Fiber Optics”, Academic Press, 2001.

[2] G.P. Agrawal, “Fiber Optic Communication Systems”, 2nd Edition, John Wiley & Sons Inc., 1997.

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