光孤子产生背景
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光孤子产生背景
制作人：周伟
通信1321
光孤子简述
• • 1.1 常规光纤通信向前发展的阻力 我们知道光纤的损耗和色散是限制线性光纤通信系 统传输距离和容量的两个主要因素，尤其在 Gbit／s 以上的高速光纤通信系统中，色散将起主要作用， 即由于脉冲展宽将使系统容量减少，传输的距离受 到限制。 光的色散指的是由于物质的折射率与光的波长有关 系而发生的一些现象。对于一定物质，折射系数 n是 波长人的一定函数： n＝f（λ ） 决定折射率n随波 长入而改变快慢的量，称为物资的色散。 色散怎样使光脉冲信号在传输时展宽；是光纤的色 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。
展望
• • 4.2 展望 光孤子通信以其巨大的应用潜力和发展前景令世人瞩目， 尤其是EDFA技术的迅速发展使得几十至几百吉比特率，几 千至几万公里的信息传输变得轻而易取。如此美好的应用 前景、如此诱人的事业，一定会吸引国内外众多科技人员 为之努力贡献。本世纪初叶就会看到光孤子通信实用化的 到来。在结束本文之前我们用图 2结尾。图2光孤子通信的 现状与展望。 从图2可见，三个座标分别表示传输距离、传输速度和 EDFA的性能，图中的阴影部分表示目前的现状，三个轴所 表示发展方向，表示未来的前景和达到的性能指标。
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2）1981～1990年为第二阶段：主要工作是关键部件的研 制。自从70年代初提出光孤子的概念以来，由于以后的十 多年未能有效地观察到光孤子的存在，直到 1983年，美国 贝尔实验室的Mollenauer研究小组首次研制成功了第一支 色心锁模孤子激光器 CCL，从而揭开了实验研究的序幕。
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3）1991年一现在为第三阶段：主要工作是建立实验系统 并向实际应用迈进。在这阶段，半导体激光器和 EDFA在光 孤子通信试验系统中的成功应用，拉开了光孤子通信走向 实用化的序幕。科学家认为，本世纪初，全光通信将走向 实用化。
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1.2 光孤立子是怎样产生的 1）人们从自然界得到启发 1834年斯柯特鲁塞尔对船在河道中运动而形成水的波峰进行观察，发现当船突然停止时， 原来在船前被推起的水波依然维护原来的形状、幅度和速度向前运动，经过相当长的时间 才消失。这就是著名的孤立波现象。 2）光孤立子产生的机理 孤立子又称孤子、孤立波，是一种特殊形状的短脉冲，光孤立子是光非线性效应的特殊产 物。 在光强较弱的情况下，光纤介质的折射率是常数，即n不随光强变化。但是在强光作用下， 由物理晶体光学的克尔效应可知，光纤介质的折射率不再是常数，折射率增量Δ n（t）正 比于光扬[E（t）]2。又知折射率与相位有一定关系，相位与频率有一是关系，则光强的变 化将造成光信号的频率变化，从而使光的传播速度发生变化。 光纤的群速度色散和光纤的非线性，二者共同作用使得孤子在光纤中能够稳定存在。当工 作波长大于1.3μ m时，光纤呈现负的群速度色散，即脉冲中的高频分量传播速度快，低频 分量传播速度慢。在强输入光场的作用下，光纤中会产生较强的非线性克尔效益，即光纤 的析射率与光场强度成正比，进而使得脉冲相位正比于光场强度，即自相位调制，脉冲后 沿比脉冲前沿运动得快，引起脉冲压缩效益。当这种压缩效应与色散单独作用引起的脉冲 展宽效应平衡时即产生了束缚光脉冲——光孤子，它可以传播得很远而不改变形状与速度。 孤立波是一种特殊形态的波，它仅有一个波峰，波长为无限，在很长的传输距离内可保持 波形不变。人们从孤立波现象得到启发，引出了孤子的概念，而以光纤为传输媒介，将信 息调制到孤子上进行通信的系统则称作光孤子传输系统。
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1.3 光孤立子的数学模型及定义 1895年，Korteweg和Vries提出了著名的KDV方程，从而建立 了孤立子的数学模型。后来经过漫长的时间，直到1973年， 美国威苏康星大学的A.C.Scott等人提出孤立子的正式定义： 孤立子是非线性波动方程的一个孤子波解，它可传播很长 的距离而不变形，当它与其它同类孤立波相遇后，保持其 幅度、形状和速度不变。 其光孤子的概念还可进一步概括为：某一相干光脉冲在通 过光纤时，脉冲前沿部分作用于光纤使之激活，而其后沿 部分则受到光纤的作用获得增益，前沿失去的和后沿获得 的能量相互抵消。其结果使得光脉冲传输时，没有任何形 状上的变化，即形成一个稳定的光孤子或光孤立子。
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光孤子研究的三个阶段
• 1）1973～1980年为第一阶段：首先将光孤子应用于光通 信的设想是由美国贝尔实验室的 A.Hasegawa 于1973年提出 的，他经过严格的数学推导，大胆地预言了在光纤地负色 散区可以观察到光孤子的存在，并率先开辟了这一领域的 研究工作，拉开了这一阶段以理论研究的序幕。
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Thank you
பைடு நூலகம்
制作人：周伟
通信1321
光孤子简述
• • 1.1 常规光纤通信向前发展的阻力 我们知道光纤的损耗和色散是限制线性光纤通信系 统传输距离和容量的两个主要因素，尤其在 Gbit／s 以上的高速光纤通信系统中，色散将起主要作用， 即由于脉冲展宽将使系统容量减少，传输的距离受 到限制。 光的色散指的是由于物质的折射率与光的波长有关 系而发生的一些现象。对于一定物质，折射系数 n是 波长人的一定函数： n＝f（λ ） 决定折射率n随波 长入而改变快慢的量，称为物资的色散。 色散怎样使光脉冲信号在传输时展宽；是光纤的色 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。
展望
• • 4.2 展望 光孤子通信以其巨大的应用潜力和发展前景令世人瞩目， 尤其是EDFA技术的迅速发展使得几十至几百吉比特率，几 千至几万公里的信息传输变得轻而易取。如此美好的应用 前景、如此诱人的事业，一定会吸引国内外众多科技人员 为之努力贡献。本世纪初叶就会看到光孤子通信实用化的 到来。在结束本文之前我们用图 2结尾。图2光孤子通信的 现状与展望。 从图2可见，三个座标分别表示传输距离、传输速度和 EDFA的性能，图中的阴影部分表示目前的现状，三个轴所 表示发展方向，表示未来的前景和达到的性能指标。
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2）1981～1990年为第二阶段：主要工作是关键部件的研 制。自从70年代初提出光孤子的概念以来，由于以后的十 多年未能有效地观察到光孤子的存在，直到 1983年，美国 贝尔实验室的Mollenauer研究小组首次研制成功了第一支 色心锁模孤子激光器 CCL，从而揭开了实验研究的序幕。
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3）1991年一现在为第三阶段：主要工作是建立实验系统 并向实际应用迈进。在这阶段，半导体激光器和 EDFA在光 孤子通信试验系统中的成功应用，拉开了光孤子通信走向 实用化的序幕。科学家认为，本世纪初，全光通信将走向 实用化。
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1.2 光孤立子是怎样产生的 1）人们从自然界得到启发 1834年斯柯特鲁塞尔对船在河道中运动而形成水的波峰进行观察，发现当船突然停止时， 原来在船前被推起的水波依然维护原来的形状、幅度和速度向前运动，经过相当长的时间 才消失。这就是著名的孤立波现象。 2）光孤立子产生的机理 孤立子又称孤子、孤立波，是一种特殊形状的短脉冲，光孤立子是光非线性效应的特殊产 物。 在光强较弱的情况下，光纤介质的折射率是常数，即n不随光强变化。但是在强光作用下， 由物理晶体光学的克尔效应可知，光纤介质的折射率不再是常数，折射率增量Δ n（t）正 比于光扬[E（t）]2。又知折射率与相位有一定关系，相位与频率有一是关系，则光强的变 化将造成光信号的频率变化，从而使光的传播速度发生变化。 光纤的群速度色散和光纤的非线性，二者共同作用使得孤子在光纤中能够稳定存在。当工 作波长大于1.3μ m时，光纤呈现负的群速度色散，即脉冲中的高频分量传播速度快，低频 分量传播速度慢。在强输入光场的作用下，光纤中会产生较强的非线性克尔效益，即光纤 的析射率与光场强度成正比，进而使得脉冲相位正比于光场强度，即自相位调制，脉冲后 沿比脉冲前沿运动得快，引起脉冲压缩效益。当这种压缩效应与色散单独作用引起的脉冲 展宽效应平衡时即产生了束缚光脉冲——光孤子，它可以传播得很远而不改变形状与速度。 孤立波是一种特殊形态的波，它仅有一个波峰，波长为无限，在很长的传输距离内可保持 波形不变。人们从孤立波现象得到启发，引出了孤子的概念，而以光纤为传输媒介，将信 息调制到孤子上进行通信的系统则称作光孤子传输系统。
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1.3 光孤立子的数学模型及定义 1895年，Korteweg和Vries提出了著名的KDV方程，从而建立 了孤立子的数学模型。后来经过漫长的时间，直到1973年， 美国威苏康星大学的A.C.Scott等人提出孤立子的正式定义： 孤立子是非线性波动方程的一个孤子波解，它可传播很长 的距离而不变形，当它与其它同类孤立波相遇后，保持其 幅度、形状和速度不变。 其光孤子的概念还可进一步概括为：某一相干光脉冲在通 过光纤时，脉冲前沿部分作用于光纤使之激活，而其后沿 部分则受到光纤的作用获得增益，前沿失去的和后沿获得 的能量相互抵消。其结果使得光脉冲传输时，没有任何形 状上的变化，即形成一个稳定的光孤子或光孤立子。
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光孤子研究的三个阶段
• 1）1973～1980年为第一阶段：首先将光孤子应用于光通 信的设想是由美国贝尔实验室的 A.Hasegawa 于1973年提出 的，他经过严格的数学推导，大胆地预言了在光纤地负色 散区可以观察到光孤子的存在，并率先开辟了这一领域的 研究工作，拉开了这一阶段以理论研究的序幕。
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