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。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。

        孤子這個名詞首先是在物理的流體力學中提出來的。1834年，美國科學家約翰·斯科特·羅素觀察到這樣一個現(xiàn)象：在一條窄河道中，迅速拉一條船前進，在船突然停下時，在船頭形成的一個孤立的水波迅速離開船頭，以每小時14～15km的速度前進，而波的形狀不變，前進了2～3km才消失。他稱這個波為孤立波。

        其后，1895年，卡維特等人對此進行了進一步研究，人們對孤子有了更清楚的認識，并先后發(fā)現(xiàn)了聲孤子、電孤子和光孤子等現(xiàn)象。從物理學的觀點來看，孤子是物質(zhì)非線性效應的一種特殊產(chǎn)物。從數(shù)學上看，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，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、高能電磁學、流體力學和非線性光學中得到廣泛的應用。

        1973年，孤立波的觀點開始引入到光纖傳輸中。在頻移時，由于折射率的非線性變化與群色散效應相平衡，光脈沖會形成一種基本孤子，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)這一新領域。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。利用光孤子特性可以實現(xiàn)超長距離、超大容量的光通信。^[1]  1980年Bell試驗室Mollenewor等人首次在試驗室中觀察到了光孤子。^[2] 

        光孤子（Soliton，Solitons in optical fibres）是指經(jīng)過長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。但當具有高強度的極窄單色光脈沖入射到光纖中時，將產(chǎn)生克爾效應，即介質(zhì)的折射率隨光強度而變化，由此導致在光脈沖中產(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。當脈沖具有適當?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，變窄效應將超過變寬效應，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原。

        光孤子的特點決定了它在通信領域的應用前景。通常將基階光孤子用于通信，因為它在整個傳播過程中沒有任何變化。光孤子通信具有以下特點：

（1）容量大：傳輸碼率一般可達20Gb/s，最高可達100Gb/s以上；

（2）誤碼率低、抗干擾能力強：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，甚至可實現(xiàn)誤碼率低于10－12的無差錯光纖通信；

（3）可以不用中繼站：只要對光纖損耗進行增益補償，即可將光信號無畸變地傳輸極遠距離，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)送等復雜過程。^[3] 

        光孤子理論的出現(xiàn)，對于現(xiàn)代通信技術的發(fā)展起到了里程碑的作用。因為現(xiàn)代通信技術的發(fā)展一直朝著兩個方向努力，一是大容量傳輸，二是延長中繼距離。光孤子傳輸不變形的特點決定了它在通信領域里應用的前景。普通的光纖通信必須每隔幾十千米設一個中繼站，經(jīng)過對信號脈沖整形，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，只要對光纖損耗進行增益補償，即可把光信號無畸變地傳輸?shù)綐O遠的地方。最新的實驗表明，光孤子在10Gbit/s的碼率下保持的距離超過了106km，而且傳輸?shù)乃俾蕵O高，預計可達100Gbit/s以上，因此光孤子通信無疑是實現(xiàn)超長距離、高速率通信的重要手段，被認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)一系列簡諧波的疊加。由于各諧波分量相速度不同，因而光脈沖包絡的傳輸通常以群速vg=dω/dβ來表示（β為光波波數(shù)， ω為載波頻率）。由該式可見，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以不同的速度進行傳播，導致脈沖的分散，這種現(xiàn)象稱之為群速度色散（GVD）。研究的結果表明，λd=1310nm處為零色散波長，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，群速度色散效應不同，最終導致了光脈沖的展寬。

        自相位調(diào)制效應是光波在光纖中傳輸時光波本身引起的相移。其起源于光纖的折射率n與電場強度I之間的非線性效應—克爾（kerr）效應，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，不同強度的脈沖分量相速度是不同的，這樣，在光脈沖傳輸?shù)倪^程中將會產(chǎn)生不同的相移，結果會造成脈沖譜的變化。例如，通過對于高斯脈沖的分析表明，自相位調(diào)制會導致脈沖前沿譜紅移，后沿譜藍移，對其它形狀脈沖的分析也有類似的結果。另外，相對在群速度色散（GVD）的反常色散區(qū)，脈沖的高頻（藍移）分量運動速度要高于低頻（紅移）分量，而自相位調(diào)制（SPM）效應所導致的脈沖前沿譜紅移又使脈沖前沿運動速度減慢和脈沖后沿由于譜藍移而加快運動速度，進而使得脈沖變窄，正好與群速度色散在反常色散區(qū)的脈沖展寬的趨勢相對應。因此，當這兩種作用在數(shù)量上達到平衡時，光脈沖就會保持不變而成為光孤粒子，即光孤子。所以說，光孤子的形成機理是光纖中群速度色散和自相位調(diào)制效應在反常色散區(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)學模型。后來經(jīng)過漫長的時間，直到1973年，美國威蘇康星大學的A.C.Scott等人提出孤子的正式定義：孤子是非線性波動方程的一個孤子波解，它可傳播很長的距離而不變形，當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一步概括為：某一相干光脈沖在通過光纖時，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。其結果使得光脈沖傳輸時，沒有任何形狀上的變化，即形成一個穩(wěn)定的光孤子。^[4] 

        已提出的實驗系統(tǒng)的構成方式種類較多，但其基本部件卻大體相同，附圖所示即為基本組成結構。

        附圖中的孤子源并非嚴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，在光纖中傳輸時自動壓縮、整形而形成光孤子。電信號脈沖源通過調(diào)制器將信號載干光孤子流上，承載的光孤子流經(jīng)EDFA放大后進入光纖傳輸。沿途需增加若干個光放大器，以補償光脈沖的能量損失。同時需平衡非線性效應與色散效應，最終保證脈沖的幅度與形狀穩(wěn)定不變。在接收端通過光孤子檢測裝置、判決器或解調(diào)器及其它輔助裝置實現(xiàn)信號的還原。^[4] 光孤子通信走向?qū)嵱玫膭討B(tài)

1）1973～1980年為第一階段：首先將光孤子應用于光通信的設想是由美國貝爾實驗室的A.Hasegawa于1973年提出的，他經(jīng)過嚴格的數(shù)學推導，大膽地預言了在光纖地負色散區(qū)可以觀察到光孤子的存在，并率先開辟了這一領域的研究工作，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應用邁進。在這階段，半導體激光器和EDFA在光孤子通信試驗系統(tǒng)中的成功應用，拉開了光孤子通信走向?qū)嵱没男蚰?。科學家認為，21世紀初，全光通信將走向?qū)嵱没?sup>[4] 

        光孤子通信以其巨大的應用潛力和發(fā)展前景令世人矚目，尤其是EDFA技術的迅速發(fā)展使得幾十至幾百吉比特率，幾千至幾萬公里的信息傳輸變得輕而易取。此項技術吸引了眾多科技人員為之努力貢獻。21世紀初葉就會看到光孤子通信實用化的到來。從附圖中可見，三個座標分別表示傳輸距離、傳輸速度和EDFA的性能，圖中的陰影部分表示現(xiàn)狀，三個軸所表示發(fā)展方向，表示未來的前景和達到的性能指標。