光孤子

        孤子（Soliton）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、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。有人把孤子定義為：孤子與其他同類孤立波相遇后，能維持其幅度、形狀和速度不變。

        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。1834年，美國(guó)科學(xué)家約翰·斯科特·羅素觀察到這樣一個(gè)現(xiàn)象：在一條窄河道中，迅速拉一條船前進(jìn)，在船突然停下時(shí)，在船頭形成的一個(gè)孤立的水波迅速離開(kāi)船頭，以每小時(shí)14～15km的速度前進(jìn)，而波的形狀不變，前進(jìn)了2～3km才消失。他稱這個(gè)波為孤立波。

        其后，1895年，卡維特等人對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步研究，人們對(duì)孤子有了更清楚的認(rèn)識(shí)，并先后發(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(diǎn)來(lái)看，孤子是物質(zhì)非線性效應(yīng)的一種特殊產(chǎn)物。從數(shù)學(xué)上看，它是某些非線性偏微分方程的一類穩(wěn)定的、能量有限的不彌散解。即是說(shuō)，它能始終保持其波形和速度不變。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。

        由于孤子具有這種特殊性質(zhì)，因而它在等離子物理學(xué)、高能電磁學(xué)、流體力學(xué)和非線性光學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。

        1973年，孤立波的觀點(diǎn)開(kāi)始引入到光纖傳輸中。在頻移時(shí)，由于折射率的非線性變化與群色散效應(yīng)相平衡，光脈沖會(huì)形成一種基本孤子，在反常色散區(qū)穩(wěn)定傳輸。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。光孤子（soliton）就是這種能在光纖中傳播的長(zhǎng)時(shí)間保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。利用光孤子特性可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超大容量的光通信。^[1]  1980年Bell試驗(yàn)室Mollenewor等人首次在試驗(yàn)室中觀察到了光孤子。^[2] 

        光孤子（Soliton，Solitons in optical fibres）是指經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸而保持形狀不變的光脈沖。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(shí)，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(shí)，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(shí)，變窄效應(yīng)將超過(guò)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。

        光孤子的特點(diǎn)決定了它在通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景。通常將基階光孤子用于通信，因?yàn)樗谡麄€(gè)傳播過(guò)程中沒(méi)有任何變化。光孤子通信具有以下特點(diǎn)：

（1）容量大：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(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，甚至可實(shí)現(xiàn)誤碼率低于10－12的無(wú)差錯(cuò)光纖通信；

（3）可以不用中繼站：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、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。^[3] 

        光孤子理論的出現(xiàn)，對(duì)于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展起到了里程碑的作用。因?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展一直朝著兩個(gè)方向努力，一是大容量傳輸，二是延長(zhǎng)中繼距離。光孤子傳輸不變形的特點(diǎn)決定了它在通信領(lǐng)域里應(yīng)用的前景。普通的光纖通信必須每隔幾十千米設(shè)一個(gè)中繼站，經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)脈沖整形，放大、誤碼檢查后再發(fā)射出去，而用光孤子通信則可不用中繼站，只要對(duì)光纖損耗進(jìn)行增益補(bǔ)償，即可把光信號(hào)無(wú)畸變地傳輸?shù)綐O遠(yuǎn)的地方。最新的實(shí)驗(yàn)表明，光孤子在10Gbit/s的碼率下保持的距離超過(guò)了106km，而且傳輸?shù)乃俾蕵O高，預(yù)計(jì)可達(dá)100Gbit/s以上，因此光孤子通信無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、高速率通信的重要手段，被認(rèn)為第五代光纖通信系統(tǒng)。 ^[2] 

        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（GVD）和自相位調(diào)制（SPM）共同作用形成的。

        光脈沖在光纖中傳輸時(shí)總是存在一定的頻率范圍，在線性近擬中，常將光脈沖表示成在一定范圍內(nèi)一系列簡(jiǎn)諧波的疊加。由于各諧波分量相速度不同，因而光脈沖包絡(luò)的傳輸通常以群速vg=dω/dβ來(lái)表示（β為光波波數(shù)， ω為載波頻率）。由該式可見(jiàn)，群速度是隨著頻率的變化而變化的，而光脈沖中不同頻率的分量則會(huì)以不同的速度進(jìn)行傳播，導(dǎo)致脈沖的分散，這種現(xiàn)象稱之為群速度色散（GVD）。研究的結(jié)果表明，λd=1310nm處為零色散波長(zhǎng)，λ>λd稱之為反常色散區(qū)域，λ<λd稱之為正常色散區(qū)域。正常與反常色散區(qū)域光脈沖的傳輸特性是不同的，在反常色散區(qū)域，光脈沖的高頻分量（藍(lán)移）較低頻分量（紅移）傳輸?shù)每?，而在正常色散區(qū)域，情況正好相反。由于傳輸情況不同，群速度色散效應(yīng)不同，最終導(dǎo)致了光脈沖的展寬。

        自相位調(diào)制效應(yīng)是光波在光纖中傳輸時(shí)光波本身引起的相移。其起源于光纖的折射率n與電場(chǎng)強(qiáng)度I之間的非線性效應(yīng)—克爾（kerr）效應(yīng)，即：n=n0+n2I。上式中，n=1.45是線性折射率，n2=6.1×1023V/m為非線性折射率系數(shù)。由上式可知，不同強(qiáng)度的脈沖分量相速度是不同的，這樣，在光脈沖傳輸?shù)倪^(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生不同的相移，結(jié)果會(huì)造成脈沖譜的變化。例如，通過(guò)對(duì)于高斯脈沖的分析表明，自相位調(diào)制會(huì)導(dǎo)致脈沖前沿譜紅移，后沿譜藍(lán)移，對(duì)其它形狀脈沖的分析也有類似的結(jié)果。另外，相對(duì)在群速度色散（GVD）的反常色散區(qū)，脈沖的高頻（藍(lán)移）分量運(yùn)動(dòng)速度要高于低頻（紅移）分量，而自相位調(diào)制（SPM）效應(yīng)所導(dǎo)致的脈沖前沿譜紅移又使脈沖前沿運(yùn)動(dòng)速度減慢和脈沖后沿由于譜藍(lán)移而加快運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而使得脈沖變窄，正好與群速度色散在反常色散區(qū)的脈沖展寬的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。因此，當(dāng)這兩種作用在數(shù)量上達(dá)到平衡時(shí)，光脈沖就會(huì)保持不變而成為光孤粒子，即光孤子。所以說(shuō)，光孤子的形成機(jī)理是光纖中群速度色散和自相位調(diào)制效應(yīng)在反常色散區(qū)的精確平衡。^[2] 

        1895年，Korteweg和Vries提出了著名的KDV方程，從而建立了孤子的數(shù)學(xué)模型。后來(lái)經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間，直到1973年，美國(guó)威蘇康星大學(xué)的A.C.Scott等人提出孤子的正式定義：孤子是非線性波動(dòng)方程的一個(gè)孤子波解，它可傳播很長(zhǎng)的距離而不變形，當(dāng)它與其它同類孤立波相遇后，保持其幅度、形狀和速度不變。

其光孤子的概念還可進(jìn)一步概括為：某一相干光脈沖在通過(guò)光纖時(shí)，脈沖前沿部分作用于光纖使之激活，而其后沿部分則受到光纖的作用獲得增益，前沿失去的和后沿獲得的能量相互抵消。其結(jié)果使得光脈沖傳輸時(shí)，沒(méi)有任何形狀上的變化，即形成一個(gè)穩(wěn)定的光孤子。^[4] 

        已提出的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成方式種類較多，但其基本部件卻大體相同，附圖所示即為基本組成結(jié)構(gòu)。

        附圖中的孤子源并非嚴(yán)格意義上的孤子激光器，只是一種類似孤子的超短光脈沖源，它產(chǎn)生滿足基本光孤子能量、頻譜等要求的超短脈沖，這種超短光脈沖，在光纖中傳輸時(shí)自動(dòng)壓縮、整形而形成光孤子。電信號(hào)脈沖源通過(guò)調(diào)制器將信號(hào)載干光孤子流上，承載的光孤子流經(jīng)EDFA放大后進(jìn)入光纖傳輸。沿途需增加若干個(gè)光放大器，以補(bǔ)償光脈沖的能量損失。同時(shí)需平衡非線性效應(yīng)與色散效應(yīng)，最終保證脈沖的幅度與形狀穩(wěn)定不變。在接收端通過(guò)光孤子檢測(cè)裝置、判決器或解調(diào)器及其它輔助裝置實(shí)現(xiàn)信號(hào)的還原。^[4] 光孤子通信走向?qū)嵱玫膭?dòng)態(tài)

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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的A.Hasegawa于1973年提出的，他經(jīng)過(guò)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(kāi)辟了這一領(lǐng)域的研究工作，拉開(kāi)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(lái)，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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究的序幕。

3）1991年后為第三階段：主要工作是建立實(shí)驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，拉開(kāi)了光孤子通信走向?qū)嵱没男蚰??？茖W(xué)家認(rèn)為，21世紀(jì)初，全光通信將走向?qū)嵱没?sup>[4] 

        光孤子通信以其巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景令世人矚目，尤其是EDFA技術(shù)的迅速發(fā)展使得幾十至幾百吉比特率，幾千至幾萬(wàn)公里的信息傳輸變得輕而易取。此項(xiàng)技術(shù)吸引了眾多科技人員為之努力貢獻(xiàn)。21世紀(jì)初葉就會(huì)看到光孤子通信實(shí)用化的到來(lái)。從附圖中可見(jiàn)，三個(gè)座標(biāo)分別表示傳輸距離、傳輸速度和EDFA的性能，圖中的陰影部分表示現(xiàn)狀，三個(gè)軸所表示發(fā)展方向，表示未來(lái)的前景和達(dá)到的性能指標(biāo)。