光孤子通信介绍

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
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。
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
(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
（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。
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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。
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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。
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。
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。
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。