Page 31 - 网络电信2021年12月刊下
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五代固定网络。                                              能量损耗项。
                F5G时代，物理光纤网走向全光业务网，打通了全光接入网                          式（48）的基态孤子解为：
            和全光传送网两大部分。全光接入网为个人、家庭、企业等各
                                                                                                               (49)
            种场景用户提供极致的联接体验；全光传送网构建基础底座并
            扩展到业务领域，支撑F5G+5G的双5G发展，助力行业数字化升                          式中sech(t)是双曲正割函数。式中的相位项exp(jz/2)不
            级。F5G是通过将光纤技术全面应用于各种场景，将我们熟知的                        影响脉冲波形，光孤子形状与z无关，故在时域中是不弥散的。
            “光纤到户”推进到“光联万物”(Fiber to Everywhere)。                通过考察NSL方程，可以发现一阶色散效应和非线性项仅产生附
                广泛覆蓋的光纤基础网络是F5G发展的基础。随着社会信息                      加相移，对于基态孤子，非线性过程产生的相移和色散效应产
            化程度的不断提升，数字经济的快速发展，网络支撑能力必将                          生的相移之和是一个等于z/2的常数，由于此相移既不改变脉冲
            不断升级。5G和F5G的共同特性是高带宽、大传输容量和超低时                       的波形也不改变其频谱，所以可保持光孤子在时域和频域均不
            延。基于这些特性必将还对光纤网络建设产生更严格的要求。                          弥散。
            伴随着F5G时代高带宽新业务的应用，数据流量会不断增长进一                            2.光孤子技术的发展历程
            步加剧承载网的数据传输压力，从而进一步推进城域网的扩容                              1）1973～1980年为第一阶段：首先将光孤子应用于光通信
            升级和大规模数据中心的部署，甚至会加速骨干网和海缆系统                          的设想是由贝尔实验室的A.Hasegawa于1973年提出的，他经过
            的升级。这对光纤光缆的创新应用会提出更加多元化的要求。                          严格的数学推导，预言了在光纤的负色散区可以观察到光孤子
            首先，骨干网与海缆建设会促进  G.654.E光纤的应用;  其次，                   的存在，并率先开辟了这一领域的研究工作，拉开了这一阶段
            城域网与接入网的扩容将带动G.652.D、G.657.A1、G.657.A2光              理论研究的序幕。
            纤的需求;  数据中心则是以VCSEL激光优化的多模光纤：OM3、                        2）1981～1990年为第二阶段：主要工作是关键部件的研
            OM4、OM5的应用为主。同时也将大大增加对高密度、大芯数光                       制。自从70年代初提出光孤子的概念以来，以后的十来年未
            缆、超细直径光纤、气吹光缆等产品的需求。                                 能有效地观察到光孤子的存在，直到1983年，贝尔实验室的
                                                                 L.F.Mollenauer研究小组首次研制成功了第一支色心锁模孤子
                八、光孤子在光纤中的传输                                     激光器CCL，从而揭开了实验研究的序幕。
                将光孤子应用于光纤通信的设想是由美国贝尔实验室的                             3）1991年后为第三阶段：主要工作是建立实验系统并向实
            A.Hasegawa于1973年提出的，光孤子的形成机理是光纤中的群                   际应用迈进。在这阶段，半导体激光器和EDFA在光孤子通信试
            速度色散（GVD）和自相位调制（SPM）效应在反常色散区的精                       验系统中的成功应用，拉开了光孤子通信发展序幕。
            确平衡（λd=1310nm处为零色散波长，λ>λd称之为反常色散                         鉴于光孤子传输中存在的难点：例如光孤子源产生的困
            区域），光脉冲会形成一种基本孤子在反常色散区稳定传输。                          难、光孤子在传输过程中的相互作用会影响误码率和传输速
            由此，逐渐产生了新的电磁理论—光孤子理论，从而把通信引                          率、光纤的损耗造成非线性效应的减弱从而影响传输距离、放
            向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。通常将基态光孤子                           大器的自发辐射噪声会影响光孤子的幅度和相位的稳定性从而
            用于通信，因为它在整个传播过程中没有任何变化。光孤子                           造成误码等等。光孤子通信的实用化还任重而道远。21世纪第
            （soliton）就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度                      一个10年的中后期，由于相干接收和DSP技术的发展，光信号的
            和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超                          色散等损害均可在电域中得到解决，因而光孤子的色散被非线
            大容量的光通信。                                             性补偿的特点能以更为简单的方式所替代。故而光孤子的技术
                1.光孤子通信系统的基本组成                                   实用化发展亦将无甚意义，光孤子技术也或将成为实验室中的
                光孤子激光器，是一种类似孤子的超短光脉冲源，它产                         进入历史的理论探讨的课题了。
            生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲，这种超短光
            脉冲，在光纤中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。电信号                              九、光纤在量子加密通信系统中的应用
            脉冲源通过调制器将信号载于光孤子流上，承载的光孤子流经                              量子信息处理是用量子物理原理来存储和处理信息,量子
            EDFA放大后进入光纤传输。沿途需增加若干个光放大器，以补                        物理两个最基本的原理是线性叠加原理和量子纠缠(Quantum
            偿光脉冲由于光纤损耗造成的的能量损失。同时需平衡非线性                          Entanglement)。线性叠加原理是指任一量子系统都可表示为描
            效应与色散效应，最终保证脉冲的幅度与形状稳定不变。在接                          述量子系统的不同状态的线性组合。表现为若输入是多个可能
            收端通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其它辅助装置实                          状态的线性组合时，则输出态也将是所有输入态对应的输出态
            现信号的还原。                                              的线性组合。这是量子计算机并行计算的核心。量子物理的另
                  光孤子传输过程中脉冲形状的演化由非线性薛定谔                         一特性是量子纠缠,  这在现实(或称经典)世界中没有相应的概
            （NLS）方程表示：                                           念和描述。
                                                                     1.量子通信
                                                           (48)
                                                                     目前所谓的量子通信系统，按所传输的信息是经典还
                式中，u(z,t)是脉冲包络函数，z是沿光纤传输距离，N是                    是量子态而分为两类：前者主要用于量子密钥分发(Quantum
            代表孤子阶数的整数，α是衰减系数。式（48）右边第一项表                         Key  Distribution)，后者则可用于量子隐形传态(Quantum
            示展宽脉冲的GVD效应; 第二项表示自相位调制过程; 第三项为                      Teleportation)和量子纠缠的分发(Quantum  Entanglement

                                                       网络电信 二零二一年十二月                                           31
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