【精选】光孤子发展及应用

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1、光孤子自从1973年被Hasegawa和Tappert提出以后，引起了人们广泛研究。空间光孤子是光束在传播过程中由非线性效应平衡衍射效应的结果，空间光孤子一直是非线性光学研究前沿。光孤子在全光网络，光通信以及光逻辑器件方面有着非常重要的应用，在Snyder和Mitchell开创性地提出强非局域下空间光孤子模型后，有关强非局域非线性介质中的孤子研究在近几年一直是热点。Guo等在理论上提出和论证了在强非局域下孤子传输会出现大相移现象，为逻辑门和光开关的实现提供了一个强有力的理论指导。但是Snyder模型为简化的理想模型，在真实的物理系统中，光束的传输将变得更加复杂，而且理论和数值

2、模拟表明，高阶孤子不能够稳定传输。在不同非局域程度下，不同非线性介质中的光孤子的传输性质以及孤子间的相互作用的研究已取得了很大的成果定义孤子(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。孤子这个名词首先是在物理的流体力学中提出来的。1834年，美国科学家约翰·斯科特·罗素观察到这样一个现象:在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，在船突然停下时，在船头形成的一个孤立的水波迅速离开船头，以每小时14~15km的速度前进，而波的形状不变，

3、前进了2~3km才消失。他称这个波为孤立波。其后，1895年，卡维特等人对此进行了进一步研究，人们对孤子有了更清楚的认识，并先后发现了声孤子、电孤子和光孤子等现象。从物理学的观点来看，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物。从数学上看，它是某些非线性偏微分方程的一类稳定的、能量有限的不弥散解。即是说，它能始终保持其波形和速度不变。孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把孤立波称为孤立子，简称孤子。由于孤子具有这种特殊性质，因而它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学和非线性光学中得到广泛的应用。1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。在频移时

4、，由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论--光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。光孤子(soliton)就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。1980年Bell试验室Mollenewor等人首次在试验室中观察到了光孤子。概述光孤子(Soliton，Solitonsinoptical4fibres)是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度

5、也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽变宽。但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即介质的折射率随光强度而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光孤子。若脉冲幅度继续增大时，变窄效应将超过变宽效应，则形成高阶光孤子，它在光纤中传输的脉冲形状将发生连续变化，首先压缩变窄，然后分裂，在特定距离处脉冲周期性地复原

6、。特点光孤子的特点决定了它在通信领域的应用前景。通常将基阶光孤子用于通信，因为它在整个传播过程中没有任何变化。光孤子通信具有以下特点:(1)容量大:传输码率一般可达20Gb/s，最高可达100Gb/s以上;(2)误码率低、抗干扰能力强:基阶光孤子在传输过程中保持不变及光孤子的绝热特性决定了光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于10-12的无差错光纤通信;(3)可以不用中继站:只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。意义光孤子理论的出现，对于现代通信技术的发展

7、起到了里程碑的作用。因为现代通信技术的发展一直朝着两个方向努力，一是大容量传输，二是延长中继距离。光孤子传输不变形的特点决定了它在通信领域里应用的前景。普通的光纤通信必须每隔几十千米设一个中继站，经过对信号脉冲整形，放大、误码检查后再发射出去，而用光孤子通信则可不用中继站，只要对光纤损耗进行增益补偿，即可把光信号无畸变地传输到极远的地方。最新的实验表明，光孤子在10Gbit/s的码率下保持的距离超过了106km，而且传输的速率极高，预计可达100Gbit/s以上，因此光孤子通信无疑是实现超长距离、高速率