光孤子現(xiàn)象研究

光孤子現(xiàn)象研究光孤子簡介孤子（Soliton）又稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈沖，或者說是一種在傳播過程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。之后發(fā)現(xiàn)了聲孤子、電孤子和光孤子等現(xiàn)象。從物理學(xué)的觀點來看，孤子是物質(zhì)非線性效應(yīng)的一種特殊產(chǎn)物。1973年，孤立波的觀點開始引入到光纖傳輸中。光孤子（soliton）就是這種能在光纖中傳播的長時間保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。形成機(jī)理一束光脈沖包含許多不同的頻率成分，頻率不同，在介質(zhì)中的傳播速度也不同，因此，光脈沖在光纖中將發(fā)生色散，使得脈寬變寬。但當(dāng)具有高強(qiáng)度的極窄單色光脈沖入射到光纖中時，將產(chǎn)生克爾效應(yīng)，即介質(zhì)的折射率隨光強(qiáng)度而變化，由此導(dǎo)致在光脈沖中產(chǎn)生自相位調(diào)制，使脈沖前沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率降低，脈沖后沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率升高，于是脈沖前沿比其后沿傳播得慢，從而使脈寬變窄。當(dāng)脈沖具有適當(dāng)?shù)姆葧r，以上兩種作用可以恰好抵消，則脈沖可以保持波形穩(wěn)定不變地在光纖中傳輸，即形成了光孤子，也稱為基階光孤子。若脈沖幅度繼續(xù)增大時，變窄效應(yīng)將超過變寬效應(yīng)，則形成高階光孤子，它在光纖中傳輸?shù)拿}沖形狀將發(fā)生連續(xù)變化，首先壓縮變窄，然后分裂，在特定距離處脈沖周期性地復(fù)原。簡單地說：光孤子是由光纖中兩種最基本的物理現(xiàn)象，即群速度色散和自相位調(diào)制共同作用形成的。組成特點（1）容量大：可使光纖的帶寬增加10～100倍，傳輸碼率一般可達(dá)20Gb/s，最高可達(dá)100Gb/s以上；（2）誤碼率低、抗干擾能力強(qiáng)：基階光孤子在傳輸過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，可以工作在很高的溫度下工作，甚至是1000℃的高溫；（3）可以不用中繼站：只要對光纖損耗進(jìn)行增益補(bǔ)償，即可將光信號無畸變地傳輸極遠(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)送等復(fù)雜過程。孤子數(shù)學(xué)模型KdV方程KdV方程是1895年由荷蘭數(shù)學(xué)家科特偉格和德佛里斯共同發(fā)現(xiàn)的一種偏微分方程（也有人稱之為科特韋格-德弗里斯方程，但一般都習(xí)慣直接叫KdV方程）。關(guān)于實自變量x

和t的函數(shù)φ所滿足的KdV方程形式如下：KdV方程的解為簇集的孤立子（又稱孤子，孤波）。研發(fā)歷程

1）1973～1980年為第一階段：首先將光孤子應(yīng)用于光通信的設(shè)想是由美國貝爾實驗室的A.Hasegawa于1973年提出的，他經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，大膽地預(yù)言了在光纖地負(fù)色散區(qū)可以觀察到光孤子的存在，并率先開辟了這一領(lǐng)域的研究工作，拉開了這一階段以理論研究的序幕。

2）1981～1990年為第二階段：主要工作是關(guān)鍵部件的研制。自從70年代初提出光孤子的概念以來，由于以后的十多年未能有效地觀察到光孤子的存在，直到1983年，美國貝爾實驗室的Mollenauer研究小組首次研制成功了第一支色心鎖模孤子激光器CCL，從而揭開了實驗研究的序幕。

3）1991年后為第三階段：主要工作是建立實驗系統(tǒng)并向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)。在這階段，半導(dǎo)體激光器和EDFA在光孤子通信試驗系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，拉開了光孤子通信走向?qū)嵱没男蚰弧？茖W(xué)家認(rèn)為，21世紀(jì)初，全光通信將走向?qū)嵱没?。實用化進(jìn)程在全世界范圍，全光通信系統(tǒng)已在橫跨大西洋的TAT-10系統(tǒng)和橫跨太平洋的TPC-15系統(tǒng)上首先應(yīng)用。在光孤子通信領(lǐng)域美國和日本領(lǐng)先。美國貝爾實驗室Mollenauer研究小組的實驗系統(tǒng)是世界上最早的光孤子實驗系統(tǒng)，首次檢測出脈寬為10ps的光孤子經(jīng)10km傳輸無明顯變化，從而首次從實驗上證實了光孤子傳輸?shù)目赡苄浴?995年，在日本東京地區(qū)的光纖局域網(wǎng)上，NTT公司首次實現(xiàn)了10Gbit/s、2000km的光孤子現(xiàn)場直通測試，從而將實驗室內(nèi)的實驗轉(zhuǎn)升為現(xiàn)場實驗，為實用化進(jìn)程邁出了十分重要的一步。由武漢郵電科學(xué)研究院研制的EDFA，具有增益高、噪聲低、增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。達(dá)到世界先進(jìn)水平。在光端機(jī)的發(fā)送端加后置式摻餌光纖放大