浅谈光纤孤立子

浅谈光纤孤立子 半导体所张东亮袁浚 内容概要 一 孤立子与光孤子的研究历史二 从现象观察到理论研究1 1水中的孤立波1 2孤子的一般数学模型三 光纤光孤子3 1光孤子的形成机制3 2光孤子的理论3 3光孤子研究对光通信的意义 内容概要 一 孤立子与光孤子的研究历史二 从现象观察到理论研究2 1水中的孤立波2 2孤子的一般数学模型三 光纤光孤子3 1光孤子的形成机制3 2光孤子的理论3 3光孤子研究对光通信的意义 1834年8月 英国科学家 造船工程师约翰 罗素 Russell JohnScott 观察到一只运行的木船船头挤出一堆水来 当船突然停下时 这个水波竟保持着它的形状 以每小时大约13千米的速度往前传播 他将之命名为 孤立波 Solitarywave 1896年 荷兰数学家Korteweg和DeVries研究了浅水波的波动 建立了著名的KDV方程 并得到与Russell观察相一致的形状不变的孤立波解 一 孤立子与光孤子的研究历史 1965年 美国科学家N Zabusky和M D Kruskal计算机做数值试验后意外地发现 两个等离子体孤波在相互碰撞后 仍然保持各自原有的能量 动量的集中形态 1973年 A Hasegawa和F Tappert从理论上证明光纤中的色散效应和非线性自相位调制效应达到平衡时 可以传输无色散的光脉冲 首次提出 光孤子 的概念 并 1980年 F Mollenaur等人在700m的光纤中观察到脉冲为7ps的光孤子 并提出光孤子通信方案 1987年 J D Kafka等人研制出拉曼孤子激光器 1990年 又研制出掺铒光纤孤子 美国在实验室已经实现14000公里的光孤子传输 内容概要 一 孤立子与光孤子的研究历史二 从现象观察到理论研究1 1水中的孤立波1 2孤子的一般数学模型三 光纤光孤子3 1光孤子的形成机制3 2光孤子的理论3 3光孤子研究对光通信的意义 二 从现象观察到理论研究 2 1水中的孤立波 定性理解 两种相反的力量之间的对抗导致平衡介质色散波包波包在传播中弥散 非线性作用 频率扩展 波包压缩 二者效应抵消 孤子 2 2孤子的一般数学模型 1895年 德国的两位科学家DiederikKorteweg和GustavdeVries设计了一个数学模型 取介质中的波动方程 KvD方程 该方程有一个特解 这个解所表示的波形就是一个以恒定速度v 振幅为v 2定值的波包 它是一种孤立波的数学表示 KvD方程还有其他形式的特解 其中双孤子解说明了孤立波的碰撞不变性 粒子性 内容概要 一 孤立子与光孤子的研究历史二 从现象观察到理论研究1 1水中的孤立波1 2孤子的一般数学模型三 光纤光孤子3 1光孤子的形成机制3 2光孤子的理论3 3光孤子研究对光通信的意义 3 1光孤子形成的物理机制 光纤中的两个重要效应 群速色散与自相位调制为什么光纤中有强的非线性效应 a 群速色散 GVD 光纤的色散是指光纤中光脉冲的不同频率成分或模式成分的群速不同而使光脉冲散开的一种物理现象 色散脉冲展宽相邻脉冲交叠限制传输速率误码接收端无法分辨群速色散不产生新频率 但改变每个频谱分量的相位 改变量依赖于频率与传输距离 进而改变脉冲形状 三 光纤光孤子 在反常色散区 高频分量传输速度高 低频慢 导致高频成分在脉冲前沿 低频成分在后沿 正常色散区则相反 b 自相位调制 SPM 三阶极化率是光纤中的最重要的非线性效应 引起折射率的变化 折射率的变化不改变脉冲振幅 但引起相位的变化为 产生新的频率分量 展宽频谱 压缩脉冲 前沿低频 后沿高频 反常色散效应 GVD 前沿高频 后沿低频 脉冲展宽自相位调制 SPM 前沿低频 后沿高频 频谱展宽GVD与SPM平衡无畸变脉冲 即光孤子 矛盾双方的对立统一 补偿 3 2描述光孤子的理论 同时考虑两种效应来描述脉冲的非线性薛定谔方程 NLS 1 当N 1时 方程的解基为态孤子 2 高阶孤子由于两个效应之间的动态变化表现周期振荡 基态孤子的特征是光孤子通信应用的基础 考虑到能量耗散 基态孤子幅度要衰减 理论计算表明 光孤子的幅度与半高宽乘积具有不变性 补偿 自动整形 可用掺铒光纤放大器来补偿能量损耗 3 3光孤子研究对光通信的意义 传统光纤通信的限制因素 色散损耗 光孤子通信中光纤中的色散效应被光纤中的非线性效应所补偿而达到平衡 形成光孤子并得以稳定传输 无中继传输距离远 光孤子通信中的损耗可由掺铒光纤放大器对光脉冲放大 不再是传统的光电 电光转换 减小偏移 功耗 提高速率 光孤子通信的优点 a 容量大 光纤孤子通信系统的传输码速率一般为20Gbit s 有望达到1000Gbit s b 误码率低和抗干扰能力强 基态孤子稳定性 c 光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用提供了方