非线性物理论文

1、光纤中光孤子产生的机理及孤子通信摘要： 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；而“色散”则是使光脉冲在传输中逐渐展宽。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。如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个

2、一个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信。关键词：光孤子；色散；光通信一光纤中光孤子产生的机理人们对孤立子的研究，可以追溯到1834年，英国海军工程师JSRussell沿运河行走时偶然观察到一种奇特的水波，这种水波“平滑而轮廓分明”，并在快速行进过程中其形状、幅度和速度都基本保持不变，他认为这种波是流体力学中的一个稳定解，称它为“孤立波(solitary wave)”。1896年，荷兰数学家Korteweg和De Vries研究了浅水波的波动，建立了著名的KDV方程，并得到了与JSRussell观察相一致的形状不变的孤立波解。1965年，美国Bell实

3、验室的物理学家NZabusky和数学家MDKruskal在研究等离子体孤立波的碰撞过程时发现：孤立波在相互碰撞后，除相位外，仍然保持其形状、幅度和速度不变，并遵循动量和能量守恒定律，类似于粒子的特性，故被称为“孤立子”或“孤子(soliton)”。1973年，AHasegawa和FTappert2首次提出了“光孤子(optical soliton)”的概念，即光孤子与其他同类光孤子相遇后，维持其幅度、形状和速度不变，并从理论上证明了光纤中的色散效应和非线性自相位调制效应达到平衡时，光纤中可以传播无色散的光脉冲。 单模光纤中有2种最基本的物理效应，即群速度色散(GVD：group velocit

4、y dispersion)效应和自相位调制(SPM：selfphase modulation)效应。群速度色散效应起源于介质的响应与光频率有关，它表明光脉冲的群速度与光频存在着一定的关系，其作用的结果是使光纤中传输的光脉冲被展宽；自相位调制效应是指光脉冲在光纤中传播时其本身引起的相位变化，它起源于光纤的折射率n与光场E之间的Kerr型非线性关系，即，其作用的结果是使光脉冲被压窄；当2种对立的机制达到平衡时，光纤中就会产生一种新的传输不变形的光脉冲，即光孤子。1光纤的色散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。它使光脉冲在传输过程中被展宽或畸变，

5、其最终结果是相邻脉冲相互交叠，当交叠达到一定程度后，接收端无法将相邻脉冲区分开，就会发生误码，因此，光纤色散特性限制了光纤的传输码速率和传输距离，使光纤通信系统的质量下降。从波动光学的理论来分析，光纤的色散是光纤介质对光场的响应，即光纤介质的折射率与光的频率有关。单模光纤是在一定工作波长下传输单一基模的光纤，它基本消除了模式色散，主要有材料色散和波导色散，这2种色散在实际测量中很难分开，由于它们都是由相位常数随频率(或波长)变化而引起的，故统称频率色散。单模光纤的色散一般用色散系数D来表示，它定义为单位线宽光源在单位长度单模光纤上引起的时延差，其单位为ps(kmnm)，即，式中，为光纤的时延差

6、；为光源的线宽。D=0处的波长被称为零色散波长，记作如，对于常规光纤，。光波波长的区域被称为正常色散区域(正色散区)，光波波长的区域被称为反常色散区域(反色散区)。为了同时得到低损耗和低色散，通常是将光纤的零色散点移到波长处，以与光纤最低损耗波段一致，所对应的光纤为色散位移光纤DSF(dispersion shiftfiber)。色散位移光纤是光纤通信系统普遍使用的单模光纤。由于光脉冲都可以表示为不同频率分量的组合，它在光纤中传输时，光纤的色散引起不同频率分量传输速率不同，造成光脉冲在传输过程中发生变形。研究表明，光脉冲的传输特性在正常色散区域和反常色散区域中有所不同，在正常色散区域光脉冲的高

7、频分量(蓝移)较低频分量(红移)传输得慢，而在反常色散区域光脉冲传输情况正好相反，但二者的最终结果都会导致光脉冲被展宽。因此，光纤的色散是线性光纤通信系统实现超高码速率、超长距离传输的严重障碍。2. 光纤的非线性效应当光纤介质受到光场的作用时，组成介质的原子或分子内部的电子相对于原子核就会发生微小的位移或振动，使介质产生极化。即是说光场的存在使得介质的特性发生了变化。极化后的介质内出现了会辐射出相应频率电磁波的偶极子，当极化强度矢量P与电场强度矢量E的关系是线性时，介质表现出线性特性；反之，介质表现出非线性特性。光纤的非线性是光场和光纤相互作用时发生的一种物理现象，在光纤中，当光场较弱时光纤的

8、各项特性参量随光场做线性变化，光纤是线性介质，当光场较强时，光纤就会表现出非线性，这种非线性光学效应的强弱不仅与光场有关，而且与光纤的长度有关。考虑光纤非线性影响后，在光场作用下，光纤介质的电极化强度矢量P可写作为 式中，为真空的介电常数，为j阶电极化率，且。其中，线性电极化率决定线性折射率和光纤损耗率，会引起二次谐波，但对分子结构对称的光纤而言，因此是光纤中最低阶亦是最重要的非线性效应。的作用引起折射率随光场的非线性变化(Kerr效应)用下式表示，即当光纤色散单独作用于光脉冲时，脉冲将产生展宽或畸变，限制光纤系统性能；当光纤非线性单独作用于光脉冲时，则将产生脉冲压缩，频谱展宽，亦将限制光纤系

9、统性能；当在一定条件下，2种对立的机制同时存在时，能出现某种平衡，产生一种新的保持不变形传输的光脉冲一光孤子。一 光孤子通信1. 光孤子通信光孤子波，足一种特殊形式的超短脉冲，在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应拥平衡，光脉冲会形成一种基本孤子。在反常色散区，光孤子波在光纤中传输波形、幅度、速度都不变，由于孤子具有这些特殊性质，因而它在非线性光学中得到广泛的应用。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。二十世纪七十年代初，光孤子波的观点开始引入到光纤传输中。利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统，真正做到全光通信，无需光电转换，可在超长距

10、离超大容量传输中人显身手。利用光孤子进行通信，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。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一代最有发展前途的传输方式之一2光孤子通信系统优越性光孤子通信和线性光通信比较有一系列显著的优点：（1）传输容量比最好的线性通信系统大l2个数量级。光孤子通信克服了色散的制约，当光强度足够人时会使光脉冲变窄，脉冲宽度不到1个ps，可使光纤的带宽增加10100倍，极大地提高_广传输容量和传输距离，尤其是当光速度超过10Gbits时，光孤子传输系统显示出明

11、显的优势。（2）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、绎济。光孤子通信和线性光纤通信比，无论在技术还是在经济都具有明显的优势，光孤子通信在岛保真度、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。(3)光孤子通信系统从根本上改进了耦合损耗和兼容问题。光孤子通信系统不但容量大、频带宽、增益高，更可贵的足它能够从根本上改进现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗和兼容问题。(4)光孤了通信系统解决了高温自动控制和测量。光孤子通信系统由于没有使用电子元件，可以在很高的温度下工作，甚至是1000度的高温。这对高温条件下的自动

12、控制或测量具有划时代的意义，为人类提供了新的理想的传输系统，意义重大。3光孤子通信的部分关键技术近年来，光孤子通信取得了突破性进展。光纤放大器的应用对孤了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，高阶色敞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。由此需要涉及到的关键技术主要有：（1）适合光孤子传输的光纤技术研究光孤了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，这样的研究不但光孤子通信系统的设计提供

13、数据，而且通常导致新型光纤的产生。(2)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，重复频率离的增益升关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了传输对波形要求并不严格。高斯光脉冲在色

14、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。(3)光孤子放大技术光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。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。全光孤子放人器对光信号口，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，又可作为全广中继器，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。目前存两种

15、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，即使用受激拉竖散解放大器或分布的掺铒光纤放大器；另一种足集总的光放大器法，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托曼散射增益系数相当小，这意味着前要商功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散射的象浦源此外，这种放人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。如IEDFA掺铒光纤放大器，光孤子在使用EDFA的系统中能稳定传输的特性足光孤子通信能实用的一个关键

16、。因为光纤的损耗不可避免受消耗孤子能量，当能量不满足孤子形成的条件时，脉冲丧失孤子特性而展宽,但只要通过EDFA掺铒光纤放大器给孤子补充能量，孤子即自动整形。利用孤子的这一特性，可进行全光中继，不需要再像常规光纤通信系统那样住中继站进行光电光的转换，实现了全光传输，一般每3050km加一个EDFA，是一种集总式能量补充方式。(4)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l2s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。4光孤子通信技术应用展望非线性光纤光孤子通信是一种全新的超高速、大容量、超

17、长距离的通信技术，实验研究证明了光孤子通信技术的可行性。光孤子传输系统将向着全光纤孤子传输的方向发展。全光式光孤子通信，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。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。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牛和应用技术使现行速率1020Gbits提高到100Gbits，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方面足获得低噪声高输出EDFA。光孤子也町实现波分复用。即利用小同

18、波长的光孤子在同一光纤中传输；也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输，即偏振复用，进一步提高传输质量和容量。另外，如果采用波分复用、偏振复用和正交偏振等技术，光孤了传输系统的有效码率还可以提高数倍，甚至能达到Tbits数量级。未来光孤子传输系统研发的趋势很可能包括三个方面：重视组合功能部件的研制，即将光孤子通信系统中的半导体激光器、光纤、放大器、耦合器等集成在几个大的功能块中，使其更趋于实用化；随着光纤孤子激光器、光纤放大器(尤其足掺饵光纤放大器)技术的日趋成熟。使得几十至几百吉比特牢，几千至几万公里的信息传输变得轻而易取。目前光孤子传输研究中的光孤子仅限一负色散区的亮孤了：，由于光纤正色散区比负色散区范闱大，所以研究在正色散区传输的暗孤子是一个很有价值课题。因为暗孤子传输的距离比亮孤子长约l倍，而且脉冲展宽较慢，受光纤