光孤子

        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。有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。

        孤子这个名词首先是在物理的流体力学中提出来的。1834年，美国科学家约翰·斯科特·罗素观察到这样一个现象：在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，在船突然停下时，在船头形成的一个孤立的水波迅速离开船头，以每小时14～15km的速度前进，而波的形状不变，前进了2～3km才消失。他称这个波为孤立波。

        其后，1895年，卡维特等人对此进行了进一步研究，人们对孤子有了更清楚的认识，并先后发现了声孤子、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。从数学上看，它是某些非线性偏微分方程的一类稳定的、能量有限的不弥散解。即是说，它能始终保持其波形和速度不变。孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把孤立波称为孤立子，简称孤子。

        由于孤子具有这种特殊性质，因而它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学和非线性光学中得到广泛的应用。

        1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论——光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。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。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。^[1]  1980年Bell试验室Mollenewor等人首次在试验室中观察到了光孤子。^[2] 

        光孤子（Soliton，Solitons in optical fibres）是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。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。

        光孤子的特点决定了它在通信领域的应用前景。通常将基阶光孤子用于通信，因为它在整个传播过程中没有任何变化。光孤子通信具有以下特点：

（1）容量大：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，甚至可实现误码率低于10－12的无差错光纤通信；

（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。^[3] 

        光孤子理论的出现，对于现代通信技术的发展起到了里程碑的作用。因为现代通信技术的发展一直朝着两个方向努力，一是大容量传输，二是延长中继距离。光孤子传输不变形的特点决定了它在通信领域里应用的前景。普通的光纤通信必须每隔几十千米设一个中继站，经过对信号脉冲整形，放大、误码检查后再发射出去，而用光孤子通信则可不用中继站，只要对光纤损耗进行增益补偿，即可把光信号无畸变地传输到极远的地方。最新的实验表明，光孤子在10Gbit/s的码率下保持的距离超过了106km，而且传输的速率极高，预计可达100Gbit/s以上，因此光孤子通信无疑是实现超长距离、高速率通信的重要手段，被认为第五代光纤通信系统。 ^[2] 

        光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散（GVD）和自相位调制（SPM）共同作用形成的。

        光脉冲在光纤中传输时总是存在一定的频率范围，在线性近拟中，常将光脉冲表示成在一定范围内一系列简谐波的叠加。由于各谐波分量相速度不同，因而光脉冲包络的传输通常以群速vg=dω/dβ来表示（β为光波波数， ω为载波频率）。由该式可见，群速度是随着频率的变化而变化的，而光脉冲中不同频率的分量则会以不同的速度进行传播，导致脉冲的分散，这种现象称之为群速度色散（GVD）。研究的结果表明，λd=1310nm处为零色散波长，λ>λd称之为反常色散区域，λ<λd称之为正常色散区域。正常与反常色散区域光脉冲的传输特性是不同的，在反常色散区域，光脉冲的高频分量（蓝移）较低频分量（红移）传输得快，而在正常色散区域，情况正好相反。由于传输情况不同，群速度色散效应不同，最终导致了光脉冲的展宽。

        自相位调制效应是光波在光纤中传输时光波本身引起的相移。其起源于光纤的折射率n与电场强度I之间的非线性效应—克尔（kerr）效应，即：n=n0+n2I。上式中，n=1.45是线性折射率，n2=6.1×1023V/m为非线性折射率系数。由上式可知，不同强度的脉冲分量相速度是不同的，这样，在光脉冲传输的过程中将会产生不同的相移，结果会造成脉冲谱的变化。例如，通过对于高斯脉冲的分析表明，自相位调制会导致脉冲前沿谱红移，后沿谱蓝移，对其它形状脉冲的分析也有类似的结果。另外，相对在群速度色散（GVD）的反常色散区，脉冲的高频（蓝移）分量运动速度要高于低频（红移）分量，而自相位调制（SPM）效应所导致的脉冲前沿谱红移又使脉冲前沿运动速度减慢和脉冲后沿由于谱蓝移而加快运动速度，进而使得脉冲变窄，正好与群速度色散在反常色散区的脉冲展宽的趋势相对应。因此，当这两种作用在数量上达到平衡时，光脉冲就会保持不变而成为光孤粒子，即光孤子。所以说，光孤子的形成机理是光纤中群速度色散和自相位调制效应在反常色散区的精确平衡。^[2] 

        1895年，Korteweg和Vries提出了著名的KDV方程，从而建立了孤子的数学模型。后来经过漫长的时间，直到1973年，美国威苏康星大学的A.C.Scott等人提出孤子的正式定义：孤子是非线性波动方程的一个孤子波解，它可传播很长的距离而不变形，当它与其它同类孤立波相遇后，保持其幅度、形状和速度不变。

其光孤子的概念还可进一步概括为：某一相干光脉冲在通过光纤时，脉冲前沿部分作用于光纤使之激活，而其后沿部分则受到光纤的作用获得增益，前沿失去的和后沿获得的能量相互抵消。其结果使得光脉冲传输时，没有任何形状上的变化，即形成一个稳定的光孤子。^[4] 

        已提出的实验系统的构成方式种类较多，但其基本部件却大体相同，附图所示即为基本组成结构。

        附图中的孤子源并非严格意义上的孤子激光器，只是一种类似孤子的超短光脉冲源，它产生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲，这种超短光脉冲，在光纤中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。电信号脉冲源通过调制器将信号载干光孤子流上，承载的光孤子流经EDFA放大后进入光纤传输。沿途需增加若干个光放大器，以补偿光脉冲的能量损失。同时需平衡非线性效应与色散效应，最终保证脉冲的幅度与形状稳定不变。在接收端通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其它辅助装置实现信号的还原。^[4] 光孤子通信走向实用的动态

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。^[4] 

        光孤子通信以其巨大的应用潜力和发展前景令世人瞩目，尤其是EDFA技术的迅速发展使得几十至几百吉比特率，几千至几万公里的信息传输变得轻而易取。此项技术吸引了众多科技人员为之努力贡献。21世纪初叶就会看到光孤子通信实用化的到来。从附图中可见，三个座标分别表示传输距离、传输速度和EDFA的性能，图中的阴影部分表示现状，三个轴所表示发展方向，表示未来的前景和达到的性能指标。