非線性物理論文

1、光纖中光孤子產(chǎn)生的機(jī)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”。“損耗”使光信號在傳輸時(shí)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(shí)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(shí)出發(fā)的光脈沖，由于頻率不同，傳輸速度就不同，到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也就不同，這便形成脈沖展寬，使得信號畸變失真。現(xiàn)在隨著光纖制造技術(shù)的發(fā)展，光纖的損耗已經(jīng)降低到接近理論極限值的程度，色散問題就成為實(shí)現(xiàn)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(yīng)正好互相抵消，光脈沖就會(huì)像一個(gè)

2、一個(gè)孤立的粒子那樣形成光孤子，能在光纖傳輸中保持不變，實(shí)現(xiàn)超長距離、超大容量的通信。關(guān)鍵詞：光孤子；色散；光通信一光纖中光孤子產(chǎn)生的機(jī)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(yùn)河行走時(shí)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(jìn)過程中其形狀、幅度和速度都基本保持不變，他認(rèn)為這種波是流體力學(xué)中的一個(gè)穩(wěn)定解，稱它為“孤立波(solitary wave)”。1896年，荷蘭數(shù)學(xué)家Korteweg和De Vries研究了淺水波的波動(dòng)，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(shí)

3、驗(yàn)室的物理學(xué)家NZabusky和數(shù)學(xué)家MDKruskal在研究等離子體孤立波的碰撞過程時(shí)發(fā)現(xiàn)：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(dòng)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(yīng)和非線性自相位調(diào)制效應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，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(yīng)，即群速度色散(GVD：group velocit

4、y dispersion)效應(yīng)和自相位調(diào)制(SPM：selfphase modulation)效應(yīng)。群速度色散效應(yīng)起源于介質(zhì)的響應(yīng)與光頻率有關(guān)，它表明光脈沖的群速度與光頻存在著一定的關(guān)系，其作用的結(jié)果是使光纖中傳輸?shù)墓饷}沖被展寬；自相位調(diào)制效應(yīng)是指光脈沖在光纖中傳播時(shí)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(guān)系，即，其作用的結(jié)果是使光脈沖被壓窄；當(dāng)2種對立的機(jī)制達(dá)到平衡時(shí)，光纖中就會(huì)產(chǎn)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(xiàn)象。它使光脈沖在傳輸過程中被展寬或畸變，

5、其最終結(jié)果是相鄰脈沖相互交疊，當(dāng)交疊達(dá)到一定程度后，接收端無法將相鄰脈沖區(qū)分開，就會(huì)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(zhì)量下降。從波動(dòng)光學(xué)的理論來分析，光纖的色散是光纖介質(zhì)對光場的響應(yīng)，即光纖介質(zhì)的折射率與光的頻率有關(guān)。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(dǎo)色散，這2種色散在實(shí)際測量中很難分開，由于它們都是由相位常數(shù)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(shù)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(shí)延差，其單位為ps(kmnm)，即，式中，為光纖的時(shí)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(shí)得到低損耗和低色散，通常是將光纖的零色散點(diǎn)移到波長處，以與光纖最低損耗波段一致，所對應(yīng)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(shí)，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(lán)移)較低頻分量(紅移)傳輸?shù)寐?，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(jié)果都會(huì)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)超高碼速率、超長距離傳輸?shù)膰?yán)重障礙。2. 光纖的非線性效應(yīng)當(dāng)光纖介質(zhì)受到光場的作用時(shí)，組成介質(zhì)的原子或分子內(nèi)部的電子相對于原子核就會(huì)發(fā)生微小的位移或振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生極化。即是說光場的存在使得介質(zhì)的特性發(fā)生了變化。極化后的介質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)了會(huì)輻射出相應(yīng)頻率電磁波的偶極子，當(dāng)極化強(qiáng)度矢量P與電場強(qiáng)度矢量E的關(guān)系是線性時(shí)，介質(zhì)表現(xiàn)出線性特性；反之，介質(zhì)表現(xiàn)出非線性特性。光纖的非線性是光場和光纖相互作用時(shí)發(fā)生的一種物理現(xiàn)象，在光纖中，當(dāng)光場較弱時(shí)光纖的

8、各項(xiàng)特性參量隨光場做線性變化，光纖是線性介質(zhì)，當(dāng)光場較強(qiáng)時(shí)，光纖就會(huì)表現(xiàn)出非線性，這種非線性光學(xué)效應(yīng)的強(qiáng)弱不僅與光場有關(guān)，而且與光纖的長度有關(guān)。考慮光纖非線性影響后，在光場作用下，光纖介質(zhì)的電極化強(qiáng)度矢量P可寫作為 式中，為真空的介電常數(shù)，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(huì)引起二次諧波，但對分子結(jié)構(gòu)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(yīng)。的作用引起折射率隨光場的非線性變化(Kerr效應(yīng))用下式表示，即當(dāng)光纖色散單獨(dú)作用于光脈沖時(shí)，脈沖將產(chǎn)生展寬或畸變，限制光纖系統(tǒng)性能；當(dāng)光纖非線性單獨(dú)作用于光脈沖時(shí)，則將產(chǎn)生脈沖壓縮，頻譜展寬，亦將限制光纖系

9、統(tǒng)性能；當(dāng)在一定條件下，2種對立的機(jī)制同時(shí)存在時(shí)，能出現(xiàn)某種平衡，產(chǎn)生一種新的保持不變形傳輸?shù)墓饷}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(shí)，由于折射率的非線性變化與群色散效應(yīng)擁平衡，光脈沖會(huì)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(zhì)，因而它在非線性光學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。由此，逐漸產(chǎn)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(lǐng)域。二十世紀(jì)七十年代初，光孤子波的觀點(diǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行通信，傳輸速率將可能高達(dá)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(huì)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(rèn)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(diǎn)：（1）傳輸容量比最好的線性通信系統(tǒng)大l2個(gè)數(shù)量級。光孤子通信克服了色散的制約，當(dāng)光強(qiáng)度足夠人時(shí)會(huì)使光脈沖變窄，脈沖寬度不到1個(gè)ps，可使光纖的帶寬增加10100倍，極大地提高_(dá)廣傳輸容量和傳輸距離，尤其是當(dāng)光速度超過10Gbits時(shí)，光孤子傳輸系統(tǒng)顯示出明

11、顯的優(yōu)勢。（2）可以進(jìn)行全光中繼。由于孤子脈沖的特殊性質(zhì)使中繼過程簡化為一個(gè)絕熱放大過程，大大簡化了中繼設(shè)備，高效、簡便、繹濟(jì)。光孤子通信和線性光纖通信比，無論在技術(shù)還是在經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度調(diào)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(jìn)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(jìn)現(xiàn)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(dòng)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(dòng)

12、控制或測量具有劃時(shí)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(guān)鍵技術(shù)近年來，光孤子通信取得了突破性進(jìn)展。光纖放大器的應(yīng)用對孤了放大和傳輸非常有利，它使孤子通信的夢想推進(jìn)到實(shí)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?shù)挠绊?，光孤子之間的相互作用，高階色敞效應(yīng)對光孤子傳輸?shù)挠绊懸约皢文９饫w中的雙折射現(xiàn)象等。由此需要涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）適合光孤子傳輸?shù)墓饫w技術(shù)研究光孤了通信系統(tǒng)的一項(xiàng)重要任務(wù)就是評價(jià)光孤子沿光纖傳輸?shù)难莼闆r，研究特定參數(shù)條件下光孤子傳輸?shù)挠行Ь嚯x，由此確定能量補(bǔ)充的中繼距離，這樣的研究不但光孤子通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供

13、數(shù)據(jù)，而且通常導(dǎo)致新型光纖的產(chǎn)生。(2)光孤子源技術(shù)光孤子源是實(shí)現(xiàn)超高速光孤子通信的關(guān)鍵。根據(jù)理論分析，只有當(dāng)輸出的光脈沖為嚴(yán)格的雙曲正割形，且振幅滿足一定條件時(shí)，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(guān)半導(dǎo)體孤子激光器和鎖模半導(dǎo)體孤子激光器等。現(xiàn)在的光孤子通信試驗(yàn)系統(tǒng)大多采用體積小，重復(fù)頻率離的增益升關(guān)DFB半導(dǎo)體激光器或鎖模半導(dǎo)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(jīng)光纖放大器放大后?？色@得足以形成光孤子傳輸?shù)姆逯倒β省＠碚摵万?yàn)均已證明光孤了傳輸對波形要求并不嚴(yán)格。高斯光脈沖在色

14、散光纖中傳輸時(shí)，由于非線性自相位調(diào)制與色散效應(yīng)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(shù)光放大被認(rèn)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(jìn)展。光纖放大器的應(yīng)用對孤子放大和傳輸非常有利，它使孤子通信的夢想推進(jìn)到實(shí)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(zhuǎn)換模式。它既可作為光端機(jī)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(shí)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(bǔ)償這些損耗成為光孤子傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。目前存兩種

15、補(bǔ)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(dǎo)體激光放大器。利用受激拉曼散射效應(yīng)的光放大器是一種典型的分布式光放大器。其優(yōu)點(diǎn)是光纖自身成為放大介質(zhì)，然而石英光纖中的受激托曼散射增益系數(shù)相當(dāng)小，這意味著前要商功率的激光器作為光纖中產(chǎn)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(shí)現(xiàn)的，其穩(wěn)定性已得到理論和試驗(yàn)的證明，成為當(dāng)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?shù)奶匦宰愎夤伦油ㄐ拍軐?shí)用的一個(gè)關(guān)鍵

16、。因?yàn)楣饫w的損耗不可避免受消耗孤子能量，當(dāng)能量不滿足孤子形成的條件時(shí)，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(bǔ)充能量，孤子即自動(dòng)整形。利用孤子的這一特性，可進(jìn)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(jìn)行光電光的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了全光傳輸，一般每3050km加一個(gè)EDFA，是一種集總式能量補(bǔ)充方式。(4)光孤子開關(guān)技術(shù)在設(shè)計(jì)全光開關(guān)時(shí)，采用光孤子脈沖作輸入信號可使整個(gè)設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)化光孤子開關(guān)的最大特點(diǎn)是開關(guān)速度快(達(dá)l2s量級)，開關(guān)轉(zhuǎn)換率高達(dá)100，開關(guān)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(shù)應(yīng)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(shù)，實(shí)驗(yàn)研究證明了光孤子通信技術(shù)的可行性。光孤子傳輸系統(tǒng)將向著全光纖孤子傳輸?shù)姆较虬l(fā)展。全光式光孤子通信，被公認(rèn)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(shí)現(xiàn)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(shù)的和物質(zhì)的基礎(chǔ)。在傳輸速度方面采用超長距離的高速通信，時(shí)域和頻域的超短脈沖控制技術(shù)以及超短脈沖的產(chǎn)牛和應(yīng)用技術(shù)使現(xiàn)行速率1020Gbits提高到100Gbits，在增大傳輸距離方面采用重定時(shí)、整形、再生技術(shù)和減少ASE，光學(xué)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(shí)現(xiàn)波分復(fù)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(fù)用，進(jìn)一步提高傳輸質(zhì)量和容量。另外，如果采用波分復(fù)用、偏振復(fù)用和正交偏振等技術(shù)，光孤了傳輸系統(tǒng)的有效碼率還可以提高數(shù)倍，甚至能達(dá)到Tbits數(shù)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(gè)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(dǎo)體激光器、光纖、放大器、耦合器等集成在幾個(gè)大的功能塊中，使其更趨于實(shí)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(shù)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(fù)色散區(qū)的亮孤了：，由于光纖正色散區(qū)比負(fù)色散區(qū)范闈大，所以研究在正色散區(qū)傳輸?shù)陌倒伦邮且粋€(gè)很有價(jià)值課題。因?yàn)榘倒伦觽鬏數(shù)木嚯x比亮孤子長約l倍，而且脈沖展寬較慢，受光纖