（上面是两个视频，可以在谷歌搜到）
光孤子通信技术
技术背景
随着光通信技术的不断发展、光纤通信从出现到现在一共经历了五代。先后历经了 OM1、OM2、OM3、OM4、到 OM5 光纤的优化升级，在传输容量和传输距离方面均取得了不断突破。由于特性和应用场景的需求，OM5 光纤呈现出良好的发展势头。
第一代光纤通信系统。1966-1976 年是光纤从基础研究到实际应用的开发阶段，在此阶段实现了 850nm 短波长和 45 MB/s、34 MB/s 低速率的多模（0.85μm）光纤通信系统，在无中继放大器的情况下传输距离可达 10km。
第二代光纤通信系统。1976-1986 年是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标，大力推广光纤通信系统应用的发展阶段。在这一阶段中，光纤从多模发展到单模，工作波长也从 850nm 短波长发展到了 1310nm/1550nm 长波长，实现了 140~565 Mb/s 传输速率的单模光纤通信系统，在无中继放大器的情况下传输距离可达 100km。
第三代光纤通信系统。1986-1996 年是以超大容量、超长距离为研究目标，研究光纤新技术的阶段。在此阶段实现了 1.55μm 色散移位单模光纤通信系统。光纤利用外调制技术（电光器件）其传输速率可高达 10 Gb/s，在无中继放大器的情况下传输距离可高达 150km。
第四代光纤通信系统。1996 年 -2009 年是同步数字体系光纤传输网络时代，光纤通信系统引进光放大器，从而减少中继器的需求，利用波分复用技术增加了光纤传输速率（可达 10Tb/s），传输距离可高达到 160km。
第五代光纤通信系统。光纤通信系统引进光孤子技术，利用光纤非线性效应使脉波在保持原本的波形下抵抗色散，同时在此阶段光纤通信系统成功的扩展了波分复用器的使用波长，将原先的 1530nm~1570nm 延伸至 1300nm~1650nm。另外，在此阶段（2016 年）OM5 光纤的正式上线。
光纤现有窗口可容纳20000GHz带宽的信号，发挥其潜力可通过：提高信号的码率、用相干光通信、用掺铒光纤放大器、采用光波频分复用技术、还可采用光孤子通信。
孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。光脉冲在光纤的非线性和光纤的色散特性相互补偿下会形成光孤子。光孤子脉冲可以在光纤中长距离传输而不发生畸变，因而可得到很高的码率，是高速度、长距离光纤通信的优越方案。
基本原理
光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“色散”。“损耗”使光信号在传输时能量不断减弱；“色散”的形成是由于光脉冲在传输的过程中受线性效应影响，光信号的脉冲不断展宽，形成光信号的畸变效应。
所谓光脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的集合。光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真。现在随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。
光纤的色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。理论表明，当不断提高信号入纤光功率时，光纤的非线性效应会更加明显。如图1所示，(a)为光孤子，(b)为分散脉冲在反常色散介质中的时域波形，其中，红色箭头表示色散诱导的脉冲展宽;蓝色箭头表示在脉冲在异常色散介质中传播时产生脉冲压缩。
图 1 脉冲展宽与压缩
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。在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄。
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。
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，它正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。
光孤子在光纤传输中能够实现保形传输，使得全光通信的研究进入新的阶段，实现超长距离、超大容量的通信。光孤子形成原理如图2所示。
图 2光孤子形成原理
光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。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1~2个数量级，中继距离可达几百km。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。
从光孤子传输理论分析，光孤子是理想的光脉冲，因为它很窄，其脉冲宽度在皮秒级（ps）。这样，就可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生脉冲重叠，产生干扰。利用光孤子进行通信，其传输容量极大，可以说是几乎没有限制。传输速率将可能高达每秒兆比特。如此高速将意味着世界上最大的图书馆――美国国会图书馆的全部藏书，只需要100秒就可以全部传送完毕。由此可见，光孤子通信的能力何等巨大。
系统构成
光孤子通信系统由光孤子激光器与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,并在光纤中进行大容量、高速传播,到对端通过解码、解调等方式还原传输信号的过程。光孤子通信系统基本结构如图3所示。
图 3光孤子通信系统基本结构
光孤子源是由光孤子激光器发射出的一连串光孤子序列构成的，是实现光孤子通信技术的关键。现有不同类型的光孤子激光器如色心晶体孤子激光器、光纤光孤子激光器、转键孤子激光器、半导体孤子激光器等。
光孤子在光纤传输过程中面临的最大难题就是能量的不断损耗，光孤子的幅度随传输距离的增大呈现指数衰减,当损耗超过一定限度时，光孤子的非线性效应无法得到保证，无法抵消色散效应，导致光孤子失去相应特性。为了防止损耗导致的色散效应与非线性效应无法平衡的情况发生,要在光孤子传输的过程中，每隔一定距离进行光功率放大，提高光孤子脉冲的幅度。现常见的光孤子功率放大器主要有集中式放大器和分布式放大器两类。集中式放大器的代表是EDFA( erbium doped fiber amplifier，掺饵光纤放大器),具有体积小、功耗低、品质高、使用方便等优点,EDFA的诞生是光纤通信领域的重大突破,对光纤通信的发展有着重要意义。分布式放大器的代表是SRS (stimulated Raman scattering,受激喇曼散射)放大器，当入射光功率较低时，散射主要来源于光自身的散射效应;当不断提高入射光功率时，受激散射成为主导,形成了受激喇曼散射，具有单色性、相干性和很高的方向性。
关键技术
近年来，光孤子通信取得了突破性进展。光纤放大器的应用对孤子放大和传输非常有利，它使孤子通信的梦想推进到实际开发阶段。光孤子在光纤中的传输过程需要解决如下问题：光纤损耗对光孤子传输的影响，光孤子之间的相互作用，高阶色散效应对光孤子传输的影响以及单模光纤中的双折射现象等。由此需要涉及到的技术主要有：
适合光孤子传输的光纤技术。研究光孤子通信系统的一项重要任务就是评价光孤子沿光纤传输的演化情况。研究特定光纤参数条件下光孤子传输的有效距离，由此确定能量补充的中继距离，这样的研究不但为光孤子通信系统的设计提供数据，而且通常导致新型光纤的产生。
光孤子源技术。光孤子源是实现超高速光孤子通信的关键。根据理论分析，只有当输出的光脉冲为严格的双曲正割形，且振幅满足一定条件时，光孤子才能在光纤中稳定地传输，目前，研究和开发的光孤子源种类繁多，有拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺饵光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。现在的光孤子通信试验系统大多采用体积小、重复频率高的增益开关DFB半导体激光器或锁模半导体激光器作光孤子源。它们的输出光脉冲是高斯形的，且功率较小，但经光纤放大器放大后，可获得足以形成光孤子传输的峰值功率。理论和验均已证明光孤子传输对波形要求并不严格。高斯光脉冲在色散光纤中传输时，由于非线性自相位调制与色散效应共同作用，光脉冲中心部分可逐渐演化为双曲正割形。
光孤子放大技术。全光孤子放大器对光信号可以直接放大，避免了目前光通信系统中光/电、电/光的转换模式。它既可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器，是光孤子通信系统极为重要的器件。实际上，光孤子在光纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗。不过光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器；另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器。利用受激拉曼散射效应的光放大器是一种典型的分布式光放大器。其优点是光纤自身成为放大介质，然而石英光纤中的受激拉曼散射增益系数相当小，这意味着需要高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散射的泵浦源，此外，这种放大器还存在着一定的噪声。集总放大方法是通过掺铒光纤放大器实现的，其稳定性已得到理论和试验的证明，成为当前孤子通信的主要放大方法。光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。
光孤子开关技术。在设计全光开关时，采用光孤子脉冲作输入信号可使整个设计达到优化，光孤子开关的最大特点是开关速度快（达10-2s量级），开关转换率高（达100%），开关过程中光孤子的形状不发生改变，选择性能好。
RLL孤子信道编码技术。为了提高系统的性能,必须降低光孤子间的吸引、排斥作用。而光孤子间的这些作用与距离的关系是指数型的,所以，最简单的做法是增大它们之间的距离,然而这样做也存在缺点，即限制通信的码率。在实际中可行的措施是利用非等幅方法,此方法在不干扰其性质的前提下使孤子间隔减少两倍，而且对系统容量也增加了不少。对于孤子之间的相互作用也可通过其他方式来优化,当前使用最先进的光纤通信系统,是把1秒等分为100亿个小时间段,在每一个时间段里，通过不传送任何光或者传送1个光脉冲来分别代表二进制的“0”和“1”。这样做使得光纤中实际传输的序列的间隔与细分前完全一致,不产生误码。
孤子时间抖动控制技术。引起孤子时间抖动的原因主要有孤子自频率移动和放大器自发辐射的噪声。对于前者主要去掉自频率移动的方式是采用特殊掺杂光纤,可通过以下两种方式对后者来进行减少:一是在光纤链路中加一个调制器或加一些光滤波器;二是利用色散补偿技术。研究结果显示，利用色散管理技术对于减少这种时间抖动效应是非常理想的。
ASE噪声控制。对于超长距离光孤子传输系统，往往使用上百个甚至几千个掺饵光纤放大器(EDFA )进行能量补偿。这样经过EDFA累加放大的自发发射ASE)噪声就成为系统的主要噪声源。ASE将噪声引起孤子中心频率的抖动，而由于光纤色散，中心频率抖动将转化为孤子到达接收端时间的抖动，这就是著名的Gorden-Haus效应。此效应使系统的极限通信距离受到限制，并使输入功率的容许变化范围减小。理论上,使用导频滤波器控制ASE噪声这项技术可望实现在无限大距离.上的孤子传输:而在实践中，利用该技术已实现了106km的孤子传输。
主要特点
全光式光孤子通信，是新一代超长距离、超高码速的光纤通信系统，更被公认为是光纤通信中最有发展前途、最具开拓性的前沿课题。光孤子通信和线性光纤通信比较有一系列显著的优点：
一、传输容量比最好的线性通信系统大1个~2个数量级；
二、可以进行全光中继。由于孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化为一个绝热放大过程，大大简化了中继设备，高效、简便、经济。光孤子通信和线性光纤通信比，无论在技术上还是在经济都具有明显的优势，光孤子通信在高保真度、长距离传输方面，优于光强度调制/直接检测方式和相干光通信。
正因为光孤子通信技术的这些优点和潜在发展前景，国际国内这几年都在大力研究开发这一技术。迄今为止的研究已为实现超高速、超长距离无中继光孤子通信系统奠定了理论的、技术的和物质的基础：
一． 孤子脉冲的不变性决定了无需中继；
二． 光纤放大器，特别是用激光二极管泵浦的掺铒光纤放大器补偿了损耗；
三． 光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用提供了方便；
四． 采用预加重技术，且用色散位移光纤传输，掺铒光纤集总信号放大，这样便在低增益的情况下减弱了ASE的影响，扩大了中继距离；
五． 导频滤波器有效地减小了超长距离内噪声引起的孤子时间抖动；
六． 本征值通信的新概念使孤子通信从只利用基本孤子拓宽到利用高阶孤子，从而可增加每个脉冲所载的信息量。
光孤子通信的这一系列进展使目前的孤子通信系统实验已达到传输速率10~20Gbit/s，传输距离13000~20000公里的水平。
应用领域
大数据数据传输领域
在大数据时代，对信息的需求与日俱增，呈现指数增长，而现有的通信技术难以满足数据的增长要求。为了满足移动大数据业务的传输，势必会对通信系统的可靠性、大容量、高速度、长距离提出更高的要求。光孤子光源具有超高能量、光脉冲能保形传输等特性,这些特性均能够有效降低误码率,提供更加稳定可靠安全的高质量数据传输。
将光孤子通信技术应用到大数据数据传输系统中，无论是对容量、误码率，还是对无中继长距离传输,都是充满前景的尝试。
海底光通信
随着水下传感与机器人、水下激光雷达、水下图像传输、水下光通信等应用的兴起，深入研究激光束在水下的湍流效应及通信性能就显得尤为重要。激光束在水下传输过程中受到散射、吸收的衰减效应，限制了激光束在水下的传输距离, 降低了水下激光通信质量，故如何提高水下通信质量降低误码率等相关问题尤为重要。
水下无线光通信技术在高传输速率要求的应用中比其他方式具有更大的优势，随着海底观测网络的建设，自主式载人和非载人潜航器为代表的水下潜航器械的快速发展，人们对水下激光通信的信号连续性、高效性、高速性和系统性有着更高的要求，
洲际传输
光孤子通信是实现超长距离高速通信的重要手段，它被认为是第五代光纤通信系统。近年来美、日、英等国相继进行了光孤子通信传输实验。美国的贝尔实验室先后进行了传输距离为4000km、6000km、15000km的光孤子传输实验，验证了光孤子跨洋通信的可能性,并且完成了32Gb/s传输90km无误码光孤子数据传输实验。日本的NTT公司在完成了5Gb/s传输400km和10Gb/s传输300km实验的基础上,又完成了20Gb/s传输200km和10Gb/s传输1000km直通传输实验。1996年,日本KDD公司与美国AT& T公司计划建设了新的越洋海底光缆，即TPC- 6,在其中就采用了光孤子技术,传输能力达到100Gb/s,距离在10000km以上。目前光孤子传输实验可实现的最高码率和最大传输距离分别为160Gb/s和106km.所有这些都充分说明了光孤子通信的可行性及其巨大的应用前景。另外如果采用波分复用、偏振复用、正交偏振等技术，光孤子传输系统的有效码率可提高几倍，甚至可能达到Tb/s数量级的传输码率。
发展前景
在传输速度方面采用超长距离的高速通信，时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上；
在增大传输距离方面采用重定时，整形，再生技术和减少ASE，光学滤波使传输距离提高到100000公里以上；
在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。
目前大多数光通信专家都认为色散管理光孤子技术是下一代超长距离通信系统的一种优选技术。以法国Algety电信公司为代表的人认为，DWDM孤子系统能解决网络中出现的色散或光脉冲展宽问题，单信道速率为40Gbit/s以上时必须采用光孤子技术。
针对光孤子属于归零(RZ) 码形，而目前已有的网络设备如路由器、ATM交换机和SDH设备等都使用非归零(NRZ)码形的问题，Sycamore公司认为可以通过把波分复用系统的设计与路由器的设计分开，在它们的接口处进行归零和非归零的转换来解决。
Marconi 公司推出的基于孤子的SmartPhotoniX UPL160系统在澳洲的商用已充分显示光纤孤子的大规模商用已为期不远。
光孤子通信的优点和潜在发展前景引起了业界的广泛关注，经过科学工作者的不断努力,迄今为止的研究已为实现超高速、超长距离无中继光孤子通信系统奠定了理论、技术和物质上的基础。当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术的难题，但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信、洲际通信系统中，有着光明的发展前景。
