光孤子通信介紹

1、目錄1孤子2光孤子的形成機(jī)理3光孤子通信主要技術(shù)4光孤子通信特點(diǎn)5研究方向 孤子孤子孤子（孤子（SolitonSoliton）又稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈）又稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈沖，或者說(shuō)是一種在傳播過(guò)程中形狀、幅度和速度都維持沖，或者說(shuō)是一種在傳播過(guò)程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。不變的脈沖狀行波。孤子這個(gè)名詞首先是在物理的流體力學(xué)中提出來(lái)的。孤子這個(gè)名詞首先是在物理的流體力學(xué)中提出來(lái)的。孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形狀和速度不變，孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形狀和速度不變，好像粒子一樣，故人們又把孤立波稱為孤立子，簡(jiǎn)稱孤子。好像粒子一樣，故人們又把

2、孤立波稱為孤立子，簡(jiǎn)稱孤子。 光孤子的形成機(jī)理光孤子的形成機(jī)理1973 1973 年，年， Hasegawa Hasegawa 和和 Tappert Tappert 首次提出首次提出“光孤子光孤子”的的概念，并從理論上推斷，概念，并從理論上推斷， 無(wú)損光纖中能形成光孤子。他無(wú)損光纖中能形成光孤子。他們認(rèn)為，們認(rèn)為， 當(dāng)光脈沖在光纖中傳播時(shí)，當(dāng)光脈沖在光纖中傳播時(shí)， 光纖的色散使得光光纖的色散使得光脈沖中不同波長(zhǎng)的光傳播速度不一致，結(jié)果導(dǎo)致光脈沖中不同波長(zhǎng)的光傳播速度不一致，結(jié)果導(dǎo)致光脈沖展脈沖展寬寬，限制了傳輸容量和傳輸距離。但當(dāng)光纖的入纖功率足，限制了傳輸容量和傳輸距離。但當(dāng)光纖的入纖功率足

3、夠大時(shí)，夠大時(shí)， 光纖中會(huì)產(chǎn)生非線性現(xiàn)象，光纖中會(huì)產(chǎn)生非線性現(xiàn)象， 它使傳輸中的光脈它使傳輸中的光脈沖前沿群速度變大，沖前沿群速度變大， 后沿群速度變小，后沿群速度變小， 其結(jié)果是使其結(jié)果是使脈沖脈沖縮窄縮窄。當(dāng)光脈沖的展寬和壓縮的作用相平衡時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生。當(dāng)光脈沖的展寬和壓縮的作用相平衡時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種新的光脈沖，一種新的光脈沖， 形成信號(hào)脈沖無(wú)畸變傳輸，形成信號(hào)脈沖無(wú)畸變傳輸， 這時(shí)的光這時(shí)的光脈沖是孤立的，脈沖是孤立的， 不受外界條件影響，不受外界條件影響， 因此稱為光孤子因此稱為光孤子光孤子是由光纖中兩種最基本的物理現(xiàn)象，即光孤子是由光纖中兩種最基本的物理現(xiàn)象，即群速度色散（GVDGVD

4、）和）和自相位調(diào)制（SPMSPM）共同作用形成的。）共同作用形成的。 Solitary wave in a laboratory wave channelSolitary wave in a laboratory wave channel光孤子通信系統(tǒng)的基本組成光孤子通信系統(tǒng)的基本組成光孤子通信主要技術(shù)光孤子通信主要技術(shù) （1）光孤子源技術(shù)）光孤子源技術(shù) 光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。要求光孤子源提供的脈沖寬度為光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。要求光孤子源提供的脈沖寬度為ps數(shù)量級(jí)，并有規(guī)定的形狀和峰值。目前，研究和開發(fā)的光孤子源種類數(shù)量級(jí)，并有規(guī)定的形狀和峰值。目前，研究和開發(fā)的光孤子源種

5、類繁多，有拉曼孤子激光器、摻鉺光纖孤子激光器和鎖模半導(dǎo)體孤子激光繁多，有拉曼孤子激光器、摻鉺光纖孤子激光器和鎖模半導(dǎo)體孤子激光器等。器等。（2 2）光孤子放大技術(shù)）光孤子放大技術(shù) 全光孤子放大器是光孤子通信系統(tǒng)極為重要的器件全光孤子放大器是光孤子通信系統(tǒng)極為重要的器件, ,既既可作為光端機(jī)的前置放大器，又可作為全光中繼器。實(shí)際上，可作為光端機(jī)的前置放大器，又可作為全光中繼器。實(shí)際上，光孤子在光纖的傳播過(guò)程中，存在著不可避免地?fù)p耗。不過(guò)光孤子在光纖的傳播過(guò)程中，存在著不可避免地?fù)p耗。不過(guò)光纖的損耗只降低孤子的脈沖幅度，并不改變孤子的形狀，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，

6、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。目前有兩種補(bǔ)償孤子能量的方法，一種是采用分布式的光放大器有兩種補(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，即是用受激拉曼散解放大器或分布的摻鉺光纖放大的方法，即是用受激拉曼散解放大器或分布的摻鉺光纖放大器；另一種是集總的光放大器法，即采用摻鉺光纖放大器或器；另一種是集總的光放大器法，即采用摻鉺光纖放大器或半導(dǎo)體激光放大器。半導(dǎo)體激光放大器。光孤子通信的特點(diǎn)光孤子通信的特點(diǎn)(1)(1)容量大：現(xiàn)階段信號(hào)的傳輸速率最高可以達(dá)到容量大：現(xiàn)階段信號(hào)的傳輸速率最高可以達(dá)到100Gb/s100Gb/s，

7、一般情況下可以達(dá)到，一般情況下可以達(dá)到101020Gb/s20Gb/s。普通。普通光纖通信相比其他通信方式的優(yōu)點(diǎn)之一是通信容量光纖通信相比其他通信方式的優(yōu)點(diǎn)之一是通信容量大，光孤子通信比普通光纖通信又有了大幅提高，大，光孤子通信比普通光纖通信又有了大幅提高，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。(2)(2)全光：只要對(duì)光纖損耗進(jìn)行增益補(bǔ)償，即可將光全光：只要對(duì)光纖損耗進(jìn)行增益補(bǔ)償，即可將光信號(hào)無(wú)畸變地傳輸極遠(yuǎn)距離，從而免去了光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)無(wú)畸變地傳輸極遠(yuǎn)距離，從而免去了光電轉(zhuǎn)換、重新整形放大、檢查誤碼、電光轉(zhuǎn)換、再重新發(fā)送重新整形放大、檢查誤碼、電光轉(zhuǎn)換、再重新發(fā)送等復(fù)雜過(guò)程。等復(fù)雜過(guò)程。(

8、3)(3)誤碼率低、抗干擾能力強(qiáng)：基階光孤子在傳輸誤碼率低、抗干擾能力強(qiáng)：基階光孤子在傳輸過(guò)程中保持不變及光孤子的絕熱特性決定了光孤過(guò)程中保持不變及光孤子的絕熱特性決定了光孤子傳輸?shù)恼`碼率大大低于常規(guī)光纖通信，甚至可子傳輸?shù)恼`碼率大大低于常規(guī)光纖通信，甚至可實(shí)現(xiàn)誤碼率低于實(shí)現(xiàn)誤碼率低于10101212的無(wú)差錯(cuò)光纖通信；的無(wú)差錯(cuò)光纖通信；薛定諤方程的推導(dǎo)薛定諤方程的推導(dǎo)光在光纖中的傳輸，若忽略光纖的損耗，可用非線光在光纖中的傳輸，若忽略光纖的損耗，可用非線性薛定諤方程描述性薛定諤方程描述. .式中：為光場(chǎng)式中：為光場(chǎng) 的復(fù)的復(fù) 振振 幅，幅，i i為虛數(shù)單位，為虛數(shù)單位， 為時(shí)間參為時(shí)間參量量；

9、/ / ，是群速度色散，是群速度色散， 分別為二階和三分別為二階和三階色散系數(shù)，階色散系數(shù)，為非線性系數(shù)。為非線性系數(shù)?？捎梅植几盗⑷~變換和可用分布傅立葉變換和matalabmatalab數(shù)值求解確定光孤子的數(shù)值求解確定光孤子的基階及二階三階光基階及二階三階光孤子孤子的演變。的演變。333222216|2TATAAAiTAiZA圖圖 是忽略損耗的基態(tài)孤子是忽略損耗的基態(tài)孤子的傳輸，的傳輸， 其幅度和形狀幾乎沒其幅度和形狀幾乎沒發(fā)生變化。發(fā)生變化。圖是二階孤子的傳輸。它是以二圖是二階孤子的傳輸。它是以二階色散距離為周期，階色散距離為周期， 周期性的發(fā)生周期性的發(fā)生吸引和排斥，吸引和排斥， 也就周

10、期性的出現(xiàn)一也就周期性的出現(xiàn)一個(gè)峰值。個(gè)峰值。圖是三階孤子的傳輸，圖是三階孤子的傳輸， 在傳輸在傳輸過(guò)程中很快分裂，過(guò)程中很快分裂， 除兩側(cè)兩個(gè)大除兩側(cè)兩個(gè)大的孤子外，中間激起第三個(gè)孤子。的孤子外，中間激起第三個(gè)孤子。（4 4）光孤子碰撞分離后的穩(wěn)定性為設(shè)計(jì)波分復(fù)用）光孤子碰撞分離后的穩(wěn)定性為設(shè)計(jì)波分復(fù)用提供了方便；提供了方便；（5 5）導(dǎo)頻濾波器有效地減小了超長(zhǎng)距離內(nèi)噪聲引）導(dǎo)頻濾波器有效地減小了超長(zhǎng)距離內(nèi)噪聲引起的孤子時(shí)間抖動(dòng)；起的孤子時(shí)間抖動(dòng)；（6 6）本征值通信的新概念使孤子通信從只利用基）本征值通信的新概念使孤子通信從只利用基本孤子拓寬到利用高階孤子，從而可增加每個(gè)脈沖本孤子拓寬到利

11、用高階孤子，從而可增加每個(gè)脈沖所載的信息量。光孤子通信的這一系列進(jìn)展使孤子所載的信息量。光孤子通信的這一系列進(jìn)展使孤子通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)已達(dá)到傳輸速率通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)已達(dá)到傳輸速率1020Gbit/s1020Gbit/s，傳輸，傳輸距離距離13000200001300020000公里的水平。公里的水平。研究方向研究方向1.1.摻雜摻雜光子晶體光纖光子晶體光纖產(chǎn)生光孤子所需泵浦功率的研產(chǎn)生光孤子所需泵浦功率的研究究2.2.非線性非線性效應(yīng)、光纖、光纖放大器等對(duì)光孤子在光效應(yīng)、光纖、光纖放大器等對(duì)光孤子在光纖中的傳輸特性的影響纖中的傳輸特性的影響3.3.光孤子改變了光網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的編碼方式，并可延光孤子改變了

12、光網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的編碼方式，并可延長(zhǎng)再生距離，從而可以大幅度削減傳輸成本。長(zhǎng)再生距離，從而可以大幅度削減傳輸成本。 光子晶體光纖的總色散光子晶體光纖的總色散 D() D() 可表示為可表示為D() D() D () + D m () D () + D m ()， (1) (1)式中，式中， D () D ()為波導(dǎo)色散，為波導(dǎo)色散， 與光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)與光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)密切相關(guān);D m ;D m ()()為材料色散，為材料色散， 與材料折射率有關(guān)。與材料折射率有關(guān)。D( ) = 0 D( ) = 0 處處 的的 波波 長(zhǎng)長(zhǎng) 為為 零零 色色 散散 波波 長(zhǎng)長(zhǎng) ，D() D() 0 0

13、的的區(qū)域?yàn)楣饫w的正常色散區(qū)，區(qū)域?yàn)楣饫w的正常色散區(qū)， 反之為光纖的反常色散反之為光纖的反常色散區(qū)色散效應(yīng)導(dǎo)致光脈沖不同頻率分量運(yùn)動(dòng)速度不同，區(qū)色散效應(yīng)導(dǎo)致光脈沖不同頻率分量運(yùn)動(dòng)速度不同， 使得脈沖在傳輸過(guò)程中展寬使得脈沖在傳輸過(guò)程中展寬 自相位調(diào)制效應(yīng)是指光脈沖在光子晶體光纖中傳輸時(shí)由自相位調(diào)制效應(yīng)是指光脈沖在光子晶體光纖中傳輸時(shí)由光脈沖本身引起的相位變化。它是由光脈沖本身引起的相位變化。它是由克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)( (指與電場(chǎng)二次指與電場(chǎng)二次方成正比的電感應(yīng)雙折射現(xiàn)象方成正比的電感應(yīng)雙折射現(xiàn)象，即：，即：放在電場(chǎng)中的物質(zhì)，由放在電場(chǎng)中的物質(zhì)，由于其分子受到電力的作用而發(fā)生取向（偏轉(zhuǎn)），呈現(xiàn)各向異

14、于其分子受到電力的作用而發(fā)生取向（偏轉(zhuǎn)），呈現(xiàn)各向異性，結(jié)果產(chǎn)生雙折射，即沿兩個(gè)不同方向物質(zhì)對(duì)光的折射能性，結(jié)果產(chǎn)生雙折射，即沿兩個(gè)不同方向物質(zhì)對(duì)光的折射能力有所不同。力有所不同。) )引起的，引起的， 即即:n = n 0 + n 2 I:n = n 0 + n 2 I， 式中式中n n 為光為光子晶體光纖折射率，子晶體光纖折射率， n 0 n 0 為線性折射率，為線性折射率， n 2 n 2 為非線性折為非線性折射率系數(shù)，射率系數(shù)， I I 為電場(chǎng)強(qiáng)度。在光纖正常色散區(qū)內(nèi)為電場(chǎng)強(qiáng)度。在光纖正常色散區(qū)內(nèi)，自相位調(diào)自相位調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致光脈沖展寬制效應(yīng)導(dǎo)致光脈沖展寬; ;而在光纖反常色散區(qū)內(nèi)而在光

15、纖反常色散區(qū)內(nèi)，自相位調(diào)制自相位調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致光脈沖壓縮。效應(yīng)導(dǎo)致光脈沖壓縮。利用有限元法設(shè)計(jì)了一種纖芯摻雜光子晶體光纖，利用有限元法設(shè)計(jì)了一種纖芯摻雜光子晶體光纖， 光纖的光纖的反常色散區(qū)達(dá)反常色散區(qū)達(dá) 1.45 m， 包括第二、包括第二、 第三通信窗口及正在第三通信窗口及正在研究的第四、研究的第四、 第五通信窗口第五通信窗口 ， 數(shù)值模擬了飛秒脈沖在該數(shù)值模擬了飛秒脈沖在該光纖中產(chǎn)生光孤子所需泵浦功率的大小。為表述方便，光纖中產(chǎn)生光孤子所需泵浦功率的大小。為表述方便， 暫暫且稱該類型光纖為光孤子光纖。該光纖具有超寬反常色散且稱該類型光纖為光孤子光纖。該光纖具有超寬反常色散區(qū)，區(qū)， 在反常色散區(qū)有較大的非線性系數(shù)和較小的色散系數(shù)，在反常色散區(qū)有較大的非線性系數(shù)和較小的色散系數(shù)， 并要求非線性系數(shù)和色散系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化趨勢(shì)相一致