OptiSystem应用：平均光孤子系统

超高速、超长中继距离传输一直是光纤通信所追求的目标。而光纤损耗、色散和非线性效应是其发展的主要限制因素。光纤的色散使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性的特性，光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。

非线性作用会部分抵消色散所带来的脉冲展宽，当两种效应达到平衡时，光脉冲在传播过程中脉冲宽度不再发生变化，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样变成了理想的光脉冲，这种脉宽不再随传播过程变化的理想脉冲，称为光孤子。  

1.仿真任务

本课程演示了在由SMF（单模光纤）组成的500km光链路上以10Gb/s传输的平均光孤子系统。

光孤子通信系统脉冲器进行编码调制，通过光功率放大器(如EDFA)对传输过程中信号能力衰耗进行补偿、并在光纤中进行传输，光纤中的非线性效应抵消色散的脉冲展宽，使光孤子信号在长距离光纤稳定传输。  

2.仿真步骤

图1所示为光路图。  

图1.光路布局  

图2是用于实现10 Gb/s传输的全局参数。  

图2.全局参数设置 

图3为脉冲参数。  

图3 脉冲参数设置  

我们设定：

比特速率      B= 10 Gb/s → TB = 100 ps.

序列长度      16 bits

脉冲波长      λ= 1300 nm

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

输入峰值功率   21.7 mW  

图4和图5显示了非线性色散光纤的参数。

图4.非线性色散光纤的Main参数  

图5.非线性色散光纤的Dispersion参数  

我们将设定长度为50 km、损耗为0.4 dB/km的SMF。  

注：不考虑群延迟和三阶色散的影响。

在每条光纤之后，信号用EDFA进行放大。因此，LA=50 km。满足条件LA＜LD（见图6）。 

图6.非线性色散光纤的Nonlinearities参数 

对于Kerr非线性系数γ=n2ω0/cAeff，非线性折射率n2=2.6×10^-20[m²/W].

50 km SMF的线性损耗为20 dB，损耗用增益为20dB的理想EDFA进行周期性补偿。

该SMF的光孤子峰值功率为5.8mW。平均光孤子的输入功率为27.1mW。为了证明平均光孤子输入功率的重要性，我们将考虑具有两个不同输入功率的500km SMF中的光孤子传播：

——5.8 mW——光孤子峰值功率（功率不足）

——27.1mW——考虑周期性放大的光孤子峰值功率（平均光孤子）

对循环数量0、4、7和10进行扫描，用这些循环来表示SMF中的传播距离0、200、350和500km。  

3.仿真结果

图7显示了脉冲的初始模式，以及在SMF中传输200、350和500km后的相同脉冲模式。每50km用EDFA进行周期性放大，27.1mW的光孤子峰值功率。   

图7.平均光孤子脉冲  

可以清楚地看到脉冲模式的良好保存。脉冲、光纤和放大参数对于平均光孤子是有效的。

图8显示了脉冲的初始模式，以及在SMF中传输200、350和500km后的相同脉冲模式，以及每50km用EDFA进行周期性放大，峰值功率为5.8 mW。   

图8.功率不足的脉冲模式  

由于使用了不适当的脉冲功率，图案中的脉冲无法保持其形式。结果，脉冲变宽并且出现复杂的结构。

这节课演示了平均光孤子系统。它要求：

1.满足绝热条件LA＜LD；

2.适当的脉冲峰值功率。  

参考文献 ：

[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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