光孤子通信介绍
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1 2 3 4 5 孤子 光孤子的形成机理 光孤子通信主要技术 光孤子通信特点 研究方向
孤子
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。
孤子这个名词首先是在物理的流体力学中提出来的。 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。
图２是二阶孤子的传输。它是以二 阶色散距离为周期， 周期性的发生 吸引和排斥， 也就周期性的出现一 个峰值。
图３是三阶孤子的传输， 在传输 过程中很快分裂， 除两侧两个大 的孤子外，中间激起第三个孤子。
（ 4 ）光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用 提供了方便；
（ 5 ）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； （ 6 ）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。
2 3
式中：Ａ为光场 的复 振 幅，i为虚数单位，Ｔ＝ｔ－β１ｚ 为时间 参量 ； β１＝１/ｖｇ ， ｖｇ是群速度色散，β２，β３ 分别为二阶 和三阶色散系数，γ为非线性系数。 可用分布傅立叶变换和 matalab 数值求解确定光孤子的基阶及二阶三阶 光孤子的演变。
图 １ 是忽略损耗的基态孤子 的传输， 其幅度和形状几乎没 发生变化。
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光孤子通信的特点
(1) 容量大：现阶段信号的传输速率最高可以达到 100Gb/s ，一般情况下可以达到 10 ～ 20Gb/s 。普通 光纤通信相比其他通信方式的优点之一是通信容量 大，光孤子通信比普通光纤通信又有了大幅提高， 具有非常明显的优势。
(2)全光：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。
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自相位调制效应是指光脉冲在光子晶体光纤中传输时由 光脉冲本身引起的相位变化。它是由克尔效应(指与电场二次 方成正比的电感应双折射现象，即：放在电场中的物质，由 于其分子受到电力的作用而发生取向（偏转），呈现各向异 性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能 力有所不同。)引起的， 即:n = n 0 + n 2 I， 式中n 为光 子晶体光纤折射率， n 0 为线性折射率， n 2 为非线性折 射率系数， I 为电场强度。在光纤正常色散区内，自相位调 制效应导致光脉冲展宽;而在光纤反常色散区内，自相位调制 效应导致光脉冲压缩。
光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散 （GVD）和自相位调制（SPM）共同作用形成的。
Hale Waihona Puke Baidu
Solitary wave in a laboratory wave channel
光孤子通信系统的基本组成
光孤子通信主要技术
（1）光孤子源技术
光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为 ps数量级，并有规定的形状和峰值。目前，研究和开发的光孤子源种类 繁多，有拉曼孤子激光器、掺铒光纤孤子激光器和锁模半导体孤子激光 器等。
（2）光孤子放大技术
全光孤子放大器是光孤子通信系统极为重要的器件 , 既 可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器。实际上， 光孤子在光纤的传播过程中，存在着不可避免地损耗。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，即是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。
光孤子的形成机理
1973 年， Hasegawa 和 Tappert 首次提出“光孤子”的 概念，并从理论上推断， 无损光纤中能形成光孤子。他 们认为， 当光脉冲在光纤中传播时， 光纤的色散使得光 脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲展 宽，限制了传输容量和传输距离。但当光纤的入纤功率足 够大时， 光纤中会产生非线性现象， 它使传输中的光脉 冲前沿群速度变大， 后沿群速度变小， 其结果是使脉冲 缩窄。当光脉冲的展宽和压缩的作用相平衡时，就会产生 一种新的光脉冲， 形成信号脉冲无畸变传输， 这时的光 脉冲是孤立的， 不受外界条件影响， 因此称为光孤子
(3)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；
薛定谔方程的推导
光在光纤中的传输，若忽略光纤的损耗，可用非线 性薛定谔方程描述.
3 A A 1A i A 2 2 2 i | A | A Z T 2 T 6 T 3
back
利用有限元法设计了一种纤芯掺杂光子晶体光纤， 光纤的 反常色散区达 1.45 μm， 包括第二、 第三通信窗口及正 在研究的第四、 第五通信窗口 ， 数值模拟了飞秒脉冲在 该光纤中产生光孤子所需泵浦功率的大小。为表述方便， 暂且称该类型光纤为光孤子光纤。该光纤具有超宽反常色 散区， 在反常色散区有较大的非线性系数和较小的色散系 数， 并要求非线性系数和色散系数随波长的变化趋势相一 致。光孤子光纤可以在整个宽反常色散区用很低的泵浦功 率产生任意波长的光孤子， 降低了产生光孤子所需要的实 验条件， 并且光孤子的中心波长能够随意变化， 有利于 各波长光孤子在不同介质中的特性研究， 为进一步研究光 孤子奠定了基础。
研究方向
1.掺杂光子晶体光纤产生光孤子所需泵浦功率的研 究
2. 非 线 性 效应、光纤、光纤放大器等对光孤子在光 纤中的传输特性的影响 3.光孤子改变了光网络中数据的编码方式，并可延 长再生距离，从而可以大幅度削减传输成本。
光子晶体光纤的总色散 D(λ) 可表示为D(λ) ≈ D ω (λ) + D m (λ)， (1)式中， D ω (λ) 为波导色散， 与光子晶体光纤的结构密切相关;D m (λ)为材料色散， 与材料折射率有关。D( λ) = 0 处 的 波 长 为 零 色 散 波 长 ，D(λ) ＜0 的 区域为光纤的正常色散区， 反之为光纤的反常色散 区色散效应导致光脉冲不同频率分量运动速度不同 ， 使得脉冲在传输过程中展宽
1 2 3 4 5 孤子 光孤子的形成机理 光孤子通信主要技术 光孤子通信特点 研究方向
孤子
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。
孤子这个名词首先是在物理的流体力学中提出来的。 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。
图２是二阶孤子的传输。它是以二 阶色散距离为周期， 周期性的发生 吸引和排斥， 也就周期性的出现一 个峰值。
图３是三阶孤子的传输， 在传输 过程中很快分裂， 除两侧两个大 的孤子外，中间激起第三个孤子。
（ 4 ）光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用 提供了方便；
（ 5 ）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； （ 6 ）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。
2 3
式中：Ａ为光场 的复 振 幅，i为虚数单位，Ｔ＝ｔ－β１ｚ 为时间 参量 ； β１＝１/ｖｇ ， ｖｇ是群速度色散，β２，β３ 分别为二阶 和三阶色散系数，γ为非线性系数。 可用分布傅立叶变换和 matalab 数值求解确定光孤子的基阶及二阶三阶 光孤子的演变。
图 １ 是忽略损耗的基态孤子 的传输， 其幅度和形状几乎没 发生变化。
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光孤子通信的特点
(1) 容量大：现阶段信号的传输速率最高可以达到 100Gb/s ，一般情况下可以达到 10 ～ 20Gb/s 。普通 光纤通信相比其他通信方式的优点之一是通信容量 大，光孤子通信比普通光纤通信又有了大幅提高， 具有非常明显的优势。
(2)全光：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。
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自相位调制效应是指光脉冲在光子晶体光纤中传输时由 光脉冲本身引起的相位变化。它是由克尔效应(指与电场二次 方成正比的电感应双折射现象，即：放在电场中的物质，由 于其分子受到电力的作用而发生取向（偏转），呈现各向异 性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能 力有所不同。)引起的， 即:n = n 0 + n 2 I， 式中n 为光 子晶体光纤折射率， n 0 为线性折射率， n 2 为非线性折 射率系数， I 为电场强度。在光纤正常色散区内，自相位调 制效应导致光脉冲展宽;而在光纤反常色散区内，自相位调制 效应导致光脉冲压缩。
光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散 （GVD）和自相位调制（SPM）共同作用形成的。
Hale Waihona Puke Baidu
Solitary wave in a laboratory wave channel
光孤子通信系统的基本组成
光孤子通信主要技术
（1）光孤子源技术
光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为 ps数量级，并有规定的形状和峰值。目前，研究和开发的光孤子源种类 繁多，有拉曼孤子激光器、掺铒光纤孤子激光器和锁模半导体孤子激光 器等。
（2）光孤子放大技术
全光孤子放大器是光孤子通信系统极为重要的器件 , 既 可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器。实际上， 光孤子在光纤的传播过程中，存在着不可避免地损耗。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，即是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。
光孤子的形成机理
1973 年， Hasegawa 和 Tappert 首次提出“光孤子”的 概念，并从理论上推断， 无损光纤中能形成光孤子。他 们认为， 当光脉冲在光纤中传播时， 光纤的色散使得光 脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲展 宽，限制了传输容量和传输距离。但当光纤的入纤功率足 够大时， 光纤中会产生非线性现象， 它使传输中的光脉 冲前沿群速度变大， 后沿群速度变小， 其结果是使脉冲 缩窄。当光脉冲的展宽和压缩的作用相平衡时，就会产生 一种新的光脉冲， 形成信号脉冲无畸变传输， 这时的光 脉冲是孤立的， 不受外界条件影响， 因此称为光孤子
(3)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；
薛定谔方程的推导
光在光纤中的传输，若忽略光纤的损耗，可用非线 性薛定谔方程描述.
3 A A 1A i A 2 2 2 i | A | A Z T 2 T 6 T 3
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利用有限元法设计了一种纤芯掺杂光子晶体光纤， 光纤的 反常色散区达 1.45 μm， 包括第二、 第三通信窗口及正 在研究的第四、 第五通信窗口 ， 数值模拟了飞秒脉冲在 该光纤中产生光孤子所需泵浦功率的大小。为表述方便， 暂且称该类型光纤为光孤子光纤。该光纤具有超宽反常色 散区， 在反常色散区有较大的非线性系数和较小的色散系 数， 并要求非线性系数和色散系数随波长的变化趋势相一 致。光孤子光纤可以在整个宽反常色散区用很低的泵浦功 率产生任意波长的光孤子， 降低了产生光孤子所需要的实 验条件， 并且光孤子的中心波长能够随意变化， 有利于 各波长光孤子在不同介质中的特性研究， 为进一步研究光 孤子奠定了基础。
研究方向
1.掺杂光子晶体光纤产生光孤子所需泵浦功率的研 究
2. 非 线 性 效应、光纤、光纤放大器等对光孤子在光 纤中的传输特性的影响 3.光孤子改变了光网络中数据的编码方式，并可延 长再生距离，从而可以大幅度削减传输成本。
光子晶体光纤的总色散 D(λ) 可表示为D(λ) ≈ D ω (λ) + D m (λ)， (1)式中， D ω (λ) 为波导色散， 与光子晶体光纤的结构密切相关;D m (λ)为材料色散， 与材料折射率有关。D( λ) = 0 处 的 波 长 为 零 色 散 波 长 ，D(λ) ＜0 的 区域为光纤的正常色散区， 反之为光纤的反常色散 区色散效应导致光脉冲不同频率分量运动速度不同 ， 使得脉冲在传输过程中展宽