非线性光学：时间孤子长距离光纤传输

对于高比特速率和远距离光纤通信系统来说，作为信息载波的光脉冲的形状和宽度在经过长距离传播后，保持不变是至关重要的。从这种意义来说，如果不考虑光纤中由吸收和散射造成的损耗影响，光学时间孤子显然是一种理想的信息载体。传统的单模石英玻璃光纤在1.25 μm波长区域的损耗率可达到0.2 dB/km，这意味着经过10 km长的光纤后，脉冲信号光强将降低到其初始值的63%左右。基于此，需要考虑有限损耗对孤子通信长距离传输的影响，并找出克服这一影响的方法。理论上曾对这一课题进行过探讨［6，12］。这些研究表明，一个孤子脉冲的面积（振幅与脉冲时间宽度的乘积）满足守恒条件，因此即使在有损耗介质内传输，该脉冲的孤子特性始终可以保持，只不过是脉冲的振幅逐渐减小而宽度逐渐变大而已。这一论断是可以理解的，为此可以基本（N=1）时间孤子为例予以考虑。损耗导致孤子功率的逐渐变小，则根据式（12-19），如果脉冲宽度也随之逐渐增加，该脉冲保持为基本孤子的功率条件仍可得到满足。在上述考虑的基础上，Hasegawa与Kodama从理论上提出对孤子脉冲信号在传输距离上进行周期性放大的方法，可达到远距离无畸变传输的目的［13］。在所建议的诸种可能的放大机制中，包括了利用受激拉曼散射（SRS）机制沿传输距离上对孤子信号进行放大的方法，去消除光纤损耗的影响［14］。

实验上，已经证实了至少可采用两种放大途径去确保孤子脉冲信号在经过长距离光纤传输后，其脉冲形状和时间宽度得以保持再现。其中一种方法是利用SRS机制所提供的拉曼增益［15～17］，而另外一种方法是利用稀土掺杂光纤激光放大器所提供的增益［18］。

首次采用拉曼增益方法对基本粒子进行放大补偿的实验，是利用一个长度为10 km的单模光纤样品进行的。该实验中，入射信号脉冲的波长为1.56 μm、脉宽为10 ps、峰值功率约为375 mW，并满足形成基本时间孤子的条件要求［15］。所需要的拉曼增益，由一束反向行进波长为1.46 μm的连续泵浦光束提供，该光束与信号光束之间的频率之差为≈440 cm-1，该值近似处于石英玻璃拉曼增益曲线的峰值位置附近。所用光纤样品在信号波长处的损耗约为0.18 dB/km。实验结果如图12-6所示。不存在拉曼增益时，经过光纤样品后的出射信号脉冲的宽度明显增大；而经由拉曼放大并提供1.8 dB的总增益之后，出射信号脉冲的宽度基本上恢复到与入射脉冲信号相同。

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图12-6　在有拉曼增益与无增益两种情况下，测得的输出信号脉冲归一化自相关扫描曲线（光纤样品长度为10 km）［15］

以后的实验表明，采用周期性拉曼放大的方法，时间孤子脉冲信号可以高保真地沿光纤传输到4 000 km以上的距离［16］。

另外一种用来补偿光纤损耗影响的途径是采用光纤激光放大器。为证明这种方法对孤子信号在长距离传输过程中所经受的损耗影响进行补偿的可行性，曾对于一个总长为400 km，并由8节光纤区段（每段长50 km）相接组成的光路系统进行了实验检测。在每两节区段之间，串接一个由激光半导体二极管泵浦的掺铒光纤放大器（EDFA）［18］。入射信号脉冲波长为1.545 μm，脉冲宽度约为22 ps，传输光纤在入射信号波长处的GVD系数为D≈-2.4 ps/（nm·km），损耗为0.24 dB/km。入射信号脉冲峰值功率满足P1=6～10 mW，而由EDFA提供的每一光纤区段的增益约为12 dB（0.24×50）。在以上实验条件下，初始入射孤子光脉冲在经过每一区段后保持不变，这可由在100，200，300，400 km光纤长度处的测量所证实。