光孤子现象研究

光孤子现象研究光孤子简介孤子（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。之后发现了声孤子、电孤子和光孤子等现象。从物理学的观点来看，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物。1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。光孤子（soliton）就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。形成机理一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽变宽。但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即介质的折射率随光强度而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光孤子。若脉冲幅度继续增大时，变窄效应将超过变宽效应，则形成高阶光孤子，它在光纤中传输的脉冲形状将发生连续变化，首先压缩变窄，然后分裂，在特定距离处脉冲周期性地复原。简单地说：光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散和自相位调制共同作用形成的。组成特点（1）容量大：可使光纤的带宽增加10～100倍，传输码率一般可达20Gb/s，最高可达100Gb/s以上；（2）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，可以工作在很高的温度下工作，甚至是1000℃的高温；（3）可以不用中继站：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。孤子数学模型KdV方程KdV方程是1895年由荷兰数学家科特伟格和德佛里斯共同发现的一种偏微分方程（也有人称之为科特韦格-德弗里斯方程，但一般都习惯直接叫KdV方程）。关于实自变量x

和t的函数φ所满足的KdV方程形式如下：KdV方程的解为簇集的孤立子（又称孤子，孤波）。研发历程

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。

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。

3）1991年后为第三阶段：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，21世纪初，全光通信将走向实用化。实用化进程在全世界范围，全光通信系统已在横跨大西洋的TAT-10系统和横跨太平洋的TPC-15系统上首先应用。在光孤子通信领域美国和日本领先。美国贝尔实验室Mollenauer研究小组的实验系统是世界上最早的光孤子实验系统，首次检测出脉宽为10ps的光孤子经10km传输无明显变化，从而首次从实验上证实了光孤子传输的可能性。1995年，在日本东京地区的光纤局域网上，NTT公司首次实现了10Gbit/s、2000km的光孤子现场直通测试，从而将实验室内的实验转升为现场实验，为实用化进程迈出了十分重要的一步。由武汉邮电科学研究院研制的EDFA，具有增益高、噪声低、增益特性与光偏振状态无关。达到世界先进水平。在光端机的发送端加后置式掺饵光纤放大