非線性物理論文

1、光纖中光孤子產生的機理及孤子通信摘要： 光纖通信中，限制傳輸距離和傳輸容量的主要原因是“損耗”和“色散”?！皳p耗”使光信號在傳輸時能量不斷減弱；而“色散”則是使光脈沖在傳輸中逐漸展寬。所謂光脈沖，其實是一系列不同頻率的光波振蕩組成的電磁波的集合。光纖的色散使得不同頻率的光波以不同的速度傳播，這樣，同時出發(fā)的光脈沖，由于頻率不同，傳輸速度就不同，到達終點的時間也就不同，這便形成脈沖展寬，使得信號畸變失真?，F在隨著光纖制造技術的發(fā)展，光纖的損耗已經降低到接近理論極限值的程度，色散問題就成為實現超長距離和超大容量光纖通信的主要問題。如果有辦法使光脈沖變寬和變窄這兩種效應正好互相抵消，光脈沖就會像一個

2、一個孤立的粒子那樣形成光孤子，能在光纖傳輸中保持不變，實現超長距離、超大容量的通信。關鍵詞：光孤子；色散；光通信一光纖中光孤子產生的機理人們對孤立子的研究，可以追溯到1834年，英國海軍工程師JSRussell沿運河行走時偶然觀察到一種奇特的水波，這種水波“平滑而輪廓分明”，并在快速行進過程中其形狀、幅度和速度都基本保持不變，他認為這種波是流體力學中的一個穩(wěn)定解，稱它為“孤立波(solitary wave)”。1896年，荷蘭數學家Korteweg和De Vries研究了淺水波的波動，建立了著名的KDV方程，并得到了與JSRussell觀察相一致的形狀不變的孤立波解。1965年，美國Bell實

3、驗室的物理學家NZabusky和數學家MDKruskal在研究等離子體孤立波的碰撞過程時發(fā)現：孤立波在相互碰撞后，除相位外，仍然保持其形狀、幅度和速度不變，并遵循動量和能量守恒定律，類似于粒子的特性，故被稱為“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，即光孤子與其他同類光孤子相遇后，維持其幅度、形狀和速度不變，并從理論上證明了光纖中的色散效應和非線性自相位調制效應達到平衡時，光纖中可以傳播無色散的光脈沖。 單模光纖中有2種最基本的物理效應，即群速度色散(GVD：group velocit

4、y dispersion)效應和自相位調制(SPM：selfphase modulation)效應。群速度色散效應起源于介質的響應與光頻率有關，它表明光脈沖的群速度與光頻存在著一定的關系，其作用的結果是使光纖中傳輸的光脈沖被展寬；自相位調制效應是指光脈沖在光纖中傳播時其本身引起的相位變化，它起源于光纖的折射率n與光場E之間的Kerr型非線性關系，即，其作用的結果是使光脈沖被壓窄；當2種對立的機制達到平衡時，光纖中就會產生一種新的傳輸不變形的光脈沖，即光孤子。1光纖的色散光纖的色散是指光纖中光脈沖的不同頻率成分或模式成分的群速不同而使光脈沖散開的一種物理現象。它使光脈沖在傳輸過程中被展寬或畸變，

5、其最終結果是相鄰脈沖相互交疊，當交疊達到一定程度后，接收端無法將相鄰脈沖區(qū)分開，就會發(fā)生誤碼，因此，光纖色散特性限制了光纖的傳輸碼速率和傳輸距離，使光纖通信系統(tǒng)的質量下降。從波動光學的理論來分析，光纖的色散是光纖介質對光場的響應，即光纖介質的折射率與光的頻率有關。單模光纖是在一定工作波長下傳輸單一基模的光纖，它基本消除了模式色散，主要有材料色散和波導色散，這2種色散在實際測量中很難分開，由于它們都是由相位常數隨頻率(或波長)變化而引起的，故統(tǒng)稱頻率色散。單模光纖的色散一般用色散系數D來表示，它定義為單位線寬光源在單位長度單模光纖上引起的時延差，其單位為ps(kmnm)，即，式中，為光纖的時延差

6、；為光源的線寬。D=0處的波長被稱為零色散波長，記作如，對于常規(guī)光纖，。光波波長的區(qū)域被稱為正常色散區(qū)域(正色散區(qū))，光波波長的區(qū)域被稱為反常色散區(qū)域(反色散區(qū))。為了同時得到低損耗和低色散，通常是將光纖的零色散點移到波長處，以與光纖最低損耗波段一致，所對應的光纖為色散位移光纖DSF(dispersion shiftfiber)。色散位移光纖是光纖通信系統(tǒng)普遍使用的單模光纖。由于光脈沖都可以表示為不同頻率分量的組合，它在光纖中傳輸時，光纖的色散引起不同頻率分量傳輸速率不同，造成光脈沖在傳輸過程中發(fā)生變形。研究表明，光脈沖的傳輸特性在正常色散區(qū)域和反常色散區(qū)域中有所不同，在正常色散區(qū)域光脈沖的高

7、頻分量(藍移)較低頻分量(紅移)傳輸得慢，而在反常色散區(qū)域光脈沖傳輸情況正好相反，但二者的最終結果都會導致光脈沖被展寬。因此，光纖的色散是線性光纖通信系統(tǒng)實現超高碼速率、超長距離傳輸的嚴重障礙。2. 光纖的非線性效應當光纖介質受到光場的作用時，組成介質的原子或分子內部的電子相對于原子核就會發(fā)生微小的位移或振動，使介質產生極化。即是說光場的存在使得介質的特性發(fā)生了變化。極化后的介質內出現了會輻射出相應頻率電磁波的偶極子，當極化強度矢量P與電場強度矢量E的關系是線性時，介質表現出線性特性；反之，介質表現出非線性特性。光纖的非線性是光場和光纖相互作用時發(fā)生的一種物理現象，在光纖中，當光場較弱時光纖的

8、各項特性參量隨光場做線性變化，光纖是線性介質，當光場較強時，光纖就會表現出非線性，這種非線性光學效應的強弱不僅與光場有關，而且與光纖的長度有關?？紤]光纖非線性影響后，在光場作用下，光纖介質的電極化強度矢量P可寫作為 式中，為真空的介電常數，為j階電極化率，且。其中，線性電極化率決定線性折射率和光纖損耗率，會引起二次諧波，但對分子結構對稱的光纖而言，因此是光纖中最低階亦是最重要的非線性效應。的作用引起折射率隨光場的非線性變化(Kerr效應)用下式表示，即當光纖色散單獨作用于光脈沖時，脈沖將產生展寬或畸變，限制光纖系統(tǒng)性能；當光纖非線性單獨作用于光脈沖時，則將產生脈沖壓縮，頻譜展寬，亦將限制光纖系

9、統(tǒng)性能；當在一定條件下，2種對立的機制同時存在時，能出現某種平衡，產生一種新的保持不變形傳輸的光脈沖一光孤子。一 光孤子通信1. 光孤子通信光孤子波，足一種特殊形式的超短脈沖，在頻移時，由于折射率的非線性變化與群色散效應擁平衡，光脈沖會形成一種基本孤子。在反常色散區(qū)，光孤子波在光纖中傳輸波形、幅度、速度都不變，由于孤子具有這些特殊性質，因而它在非線性光學中得到廣泛的應用。由此，逐漸產生了新的電磁理論光孤子理論，從而把通信引向非線性光纖孤子傳輸系統(tǒng)這一新領域。二十世紀七十年代初，光孤子波的觀點開始引入到光纖傳輸中。利用光孤子傳輸信息的新一代光纖通信系統(tǒng)，真正做到全光通信，無需光電轉換，可在超長距

10、離超大容量傳輸中人顯身手。利用光孤子進行通信，傳輸速率將可能高達每秒兆比特。如此高速將意味著世界上最大的圖書館美國國會圖書館的全部藏書，只需要100秒就可以全部傳送完畢。由此可見，光孤子通信的能力何等巨大。它被認為是下一代最有發(fā)展前途的傳輸方式之一代最有發(fā)展前途的傳輸方式之一2光孤子通信系統(tǒng)優(yōu)越性光孤子通信和線性光通信比較有一系列顯著的優(yōu)點：（1）傳輸容量比最好的線性通信系統(tǒng)大l2個數量級。光孤子通信克服了色散的制約，當光強度足夠人時會使光脈沖變窄，脈沖寬度不到1個ps，可使光纖的帶寬增加10100倍，極大地提高_廣傳輸容量和傳輸距離，尤其是當光速度超過10Gbits時，光孤子傳輸系統(tǒng)顯示出明

11、顯的優(yōu)勢。（2）可以進行全光中繼。由于孤子脈沖的特殊性質使中繼過程簡化為一個絕熱放大過程，大大簡化了中繼設備，高效、簡便、繹濟。光孤子通信和線性光纖通信比，無論在技術還是在經濟都具有明顯的優(yōu)勢，光孤子通信在島保真度、長距離傳輸方面，優(yōu)于光強度調制直接檢測方式和相干光通信。(3)光孤子通信系統(tǒng)從根本上改進了耦合損耗和兼容問題。光孤子通信系統(tǒng)不但容量大、頻帶寬、增益高，更可貴的足它能夠從根本上改進現有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來的損耗和兼容問題。(4)光孤了通信系統(tǒng)解決了高溫自動控制和測量。光孤子通信系統(tǒng)由于沒有使用電子元件，可以在很高的溫度下工作，甚至是1000度的高溫。這對高溫條件下的自動

12、控制或測量具有劃時代的意義，為人類提供了新的理想的傳輸系統(tǒng)，意義重大。3光孤子通信的部分關鍵技術近年來，光孤子通信取得了突破性進展。光纖放大器的應用對孤了放大和傳輸非常有利，它使孤子通信的夢想推進到實際開發(fā)階段。光孤子在光纖中的傳輸過程需要解決如下問題：光纖損耗對光孤子傳輸的影響，光孤子之間的相互作用，高階色敞效應對光孤子傳輸的影響以及單模光纖中的雙折射現象等。由此需要涉及到的關鍵技術主要有：（1）適合光孤子傳輸的光纖技術研究光孤了通信系統(tǒng)的一項重要任務就是評價光孤子沿光纖傳輸的演化情況，研究特定參數條件下光孤子傳輸的有效距離，由此確定能量補充的中繼距離，這樣的研究不但光孤子通信系統(tǒng)的設計提供

13、數據，而且通常導致新型光纖的產生。(2)光孤子源技術光孤子源是實現超高速光孤子通信的關鍵。根據理論分析，只有當輸出的光脈沖為嚴格的雙曲正割形，且振幅滿足一定條件時，光孤子才能在光纖中穩(wěn)定地傳輸，目前，研究和開發(fā)的光孤子源種類繁多，有拉曼孤子激光器、參量孤子激光器、摻餌光纖孤子激光器、增益開關半導體孤子激光器和鎖模半導體孤子激光器等?，F在的光孤子通信試驗系統(tǒng)大多采用體積小，重復頻率離的增益升關DFB半導體激光器或鎖模半導體激光器作光孤子源。它們的輸出光脈沖是高斯形的，且功率較小，但經光纖放大器放大后。可獲得足以形成光孤子傳輸的峰值功率。理論和驗均已證明光孤了傳輸對波形要求并不嚴格。高斯光脈沖在色

14、散光纖中傳輸時，由于非線性自相位調制與色散效應共同作用。光脈沖中心部分可逐漸演化為雙曲正割形。(3)光孤子放大技術光放大被認為是全光孤子通信的核心問題。近年來，光孤子通信取得了突破性進展。光纖放大器的應用對孤子放大和傳輸非常有利，它使孤子通信的夢想推進到實際開發(fā)階段。全光孤子放人器對光信號口，以直接放大避免了目前光通信系統(tǒng)中光電、電光的轉換模式。它既可作為光端機的前置放大器，又可作為全廣中繼器，是光孤子通信系統(tǒng)極為重要的器件。實際上，光孤子在光纖的傳播過程中，不可避免地存在著損耗。不過光纖的損耗只降低孤子的脈沖幅度，并不改變孤子的形狀，因此，補償這些損耗成為光孤子傳輸的關鍵技術之一。目前存兩種

15、補償孤子能量的方法，一種是采用分布式的光放大器的方法，即使用受激拉豎散解放大器或分布的摻鉺光纖放大器；另一種足集總的光放大器法，即采用摻鉺光纖放大器或半導體激光放大器。利用受激拉曼散射效應的光放大器是一種典型的分布式光放大器。其優(yōu)點是光纖自身成為放大介質，然而石英光纖中的受激托曼散射增益系數相當小，這意味著前要商功率的激光器作為光纖中產生受激拉曼散射的象浦源此外，這種放人器還存在著一定的噪聲。集總放大方法是通過摻鉺光纖放大器實現的，其穩(wěn)定性已得到理論和試驗的證明，成為當前孤子通信的主要放大方法。如IEDFA摻鉺光纖放大器，光孤子在使用EDFA的系統(tǒng)中能穩(wěn)定傳輸的特性足光孤子通信能實用的一個關鍵

16、。因為光纖的損耗不可避免受消耗孤子能量，當能量不滿足孤子形成的條件時，脈沖喪失孤子特性而展寬,但只要通過EDFA摻鉺光纖放大器給孤子補充能量，孤子即自動整形。利用孤子的這一特性，可進行全光中繼，不需要再像常規(guī)光纖通信系統(tǒng)那樣住中繼站進行光電光的轉換，實現了全光傳輸，一般每3050km加一個EDFA，是一種集總式能量補充方式。(4)光孤子開關技術在設計全光開關時，采用光孤子脈沖作輸入信號可使整個設計達到優(yōu)化光孤子開關的最大特點是開關速度快(達l2s量級)，開關轉換率高達100，開關過程中光孤子的形狀不發(fā)生改變，選擇性能好。4光孤子通信技術應用展望非線性光纖光孤子通信是一種全新的超高速、大容量、超

17、長距離的通信技術，實驗研究證明了光孤子通信技術的可行性。光孤子傳輸系統(tǒng)將向著全光纖孤子傳輸的方向發(fā)展。全光式光孤子通信，被公認為是光纖通信中最有發(fā)展前途、最具開拓性的前沿課題。迄今為止的研究已為實現超高速、超長距離無中繼光孤子通信系統(tǒng)奠定了理論的、技術的和物質的基礎。在傳輸速度方面采用超長距離的高速通信，時域和頻域的超短脈沖控制技術以及超短脈沖的產牛和應用技術使現行速率1020Gbits提高到100Gbits，在增大傳輸距離方面采用重定時、整形、再生技術和減少ASE，光學濾波使傳輸距離提高到100000公里以上；在高性能EDFA方面足獲得低噪聲高輸出EDFA。光孤子也町實現波分復用。即利用小同

18、波長的光孤子在同一光纖中傳輸；也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纖中傳輸，即偏振復用，進一步提高傳輸質量和容量。另外，如果采用波分復用、偏振復用和正交偏振等技術，光孤了傳輸系統(tǒng)的有效碼率還可以提高數倍，甚至能達到Tbits數量級。未來光孤子傳輸系統(tǒng)研發(fā)的趨勢很可能包括三個方面：重視組合功能部件的研制，即將光孤子通信系統(tǒng)中的半導體激光器、光纖、放大器、耦合器等集成在幾個大的功能塊中，使其更趨于實用化；隨著光纖孤子激光器、光纖放大器(尤其足摻餌光纖放大器)技術的日趨成熟。使得幾十至幾百吉比特牢，幾千至幾萬公里的信息傳輸變得輕而易取。目前光孤子傳輸研究中的光孤子僅限一負色散區(qū)的亮孤了：，由于光纖正色散區(qū)比負色散區(qū)范闈大，所以研究在正色散區(qū)傳輸的暗孤子是一個很有價值課題。因為暗孤子傳輸的距離比亮孤子長約l倍，而且脈沖展寬較慢，受光纖