【正文】 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光孤子的形成及光通信中應用光朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音字典朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音字典光孤子的形成及光通信中應用畢業(yè)論文目 錄朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音第一章 概述 1 1 2 光孤子的研發(fā)歷程 2第二章 光孤子傳輸基礎及其系統(tǒng)關鍵技術 5 5 5 光孤子傳輸原理 5 8 10 11 光孤子傳輸系統(tǒng)及其關鍵技術 14 光孤子傳輸系統(tǒng) 14 系統(tǒng)的關鍵技術 15 光孤子傳輸系統(tǒng)實驗研究現狀及展望 17第三章 光孤子源 18 18. 增益開關半導體激光器 18 FP濾波器 21 摻餌光纖放大器 22 被動鎖模光纖環(huán)形孤子激光器 22 23 24 主動鎖模光纖環(huán)形孤子激光器 27 27 28 主被動鎖模光纖環(huán)形孤子激光器的結構 33 數學模型 34 數值模擬 35 激光器穩(wěn)定性的分析 36第四章 光孤子放大器 40 摻餌光纖放大器（EDFA） 40 41 超短光孤子在摻鉺光纖放大器中的放大 42 超短光孤子在放大環(huán)鏡中的放大 44總 結 49致 謝 50參考文獻 5150字典第一章 概述孤子是英文soliton的譯名，最早是英國海軍工程師于1834年偶然發(fā)現的船舶在河流中航行時形成的一種特殊的形狀不變的水波，稱為孤子波（solitorywave）。由此開始，物理學家和數學家們對這種現象進行了一個多世紀的深入研究，建了描述各種孤波現象的非線性方程。光學中孤波現象的研究始于1965年，先后發(fā)現了自聚焦空間孤子與非線性介質波導中的傳輸孤子。在光學中孤子這個詞以描述光脈沖包絡在非線性介質中傳播時的類似于粒子特性為特征，在數學上是非線性波動方程的局域行波解，在一定條件下，這種包絡孤波不僅不失真地傳播，且象粒子那樣經受碰撞仍保持原形而繼續(xù)存在，稱為光學孤子或光孤子（Optical Soliton）。1973年Hasegawa在理論上推斷，光纖中能夠形成孤子，1980年Mollenauer用實驗方法在光纖中觀察到了孤子，并于80年代提出將光纖中的孤子用作傳遞信息的載體，構建一種新的光纖通信方案，稱為光纖孤子通信。光中的孤子是光纖色散與非線性相互作用的產物，服從非線性薛定諤方程（NLSE），受光纖線性與非線性特性的支配。光纖的群速色散(GVD)使孤子脈沖在傳輸過程中不斷展寬。光纖損耗亦使脈寬按指數展寬，幅度指數衰減。光纖的非線性使脈沖壓縮光纖中孤子是色散與非線性相互作用達到平衡時的產物，所以光纖特性對光孤子的形成、傳輸演變特性與通信能力有決定性影響，是支撐光纖孤子通信的決定性因素。光孤子（Soliton，Solitons in optical fibres）是指經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，將產生克爾效應，即介質的折射率隨光強度而變化，由此導致在光脈沖中產生自相位調制，使脈沖前沿產生的相位變化引起頻率降低，脈沖后沿產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。當脈沖具有適當的幅度時，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，它在光纖中傳輸的脈沖形狀將發(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； 　?。?）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的誤碼率大大低于常規(guī)光纖通信，甚至可實現誤碼率低于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，從而免去了光電轉換、重新整形放大、檢查誤碼、電光轉換、再重新發(fā)送等復雜過程。 光孤子的研發(fā)歷程 光纖孤子通信涉及孤子的產生、傳輸演化、放大整形與傳輸控制等基本問題。光孤子通信研究大致可以分成三個階段: 第一階段(l973一1983年):提出了光孤子傳輸的通信理論，大膽的預言了在光纖的反常色散區(qū)域可以觀察到光孤子的存在，拉開了這一階段理論研究的序幕。1973年，從理論上揭示了光孤子形成的機制與傳輸演化的規(guī)律，提出了在光纖的反常色散區(qū)域能夠形成光孤子。1980年，并在1985年的CLEO會議上演示了喇曼增益方法保證光孤子傳輸10kill的實驗。1981年初，.AHasge~和丫Kdemaa發(fā)表了單模光纖中用光孤子傳輸信號的著名文章，正是揭開了光纖孤子通信的序幕。接著，在1982年，他們又提出利用周期性喇曼泵浦法來補充光孤子損失的能量。 第二階段(l984一1990年):成功的研制成了第一臺色心晶體孤子激光器，從而揭開了實驗研究的序幕。1984年，LEMollneuaer等人制成了光孤子激光器，使光孤子實驗得到了迅猛的發(fā)展。次年，他們又利用色心孤子源和喇曼增益補償損耗的辦法，使光孤子脈沖無畸變的傳輸了10km。1986年，他們又綜合設計了一種系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以每隔30100km用雙向泵浦的喇曼增益來補償光纖損耗的辦法。19881989年，他們用鎖模色心激光器作為孤子源，在42km的光纖環(huán)路上作周期的喇曼泵浦放大把光孤子脈沖循環(huán)傳輸了4000mk以上。1989年，日本的NTT研究所首次報道完成了摻餌光纖放大器(EDAF)用來補償孤子脈沖能量的損失，他們采用摻餌離子單模光纖作為增益介質，在泵浦激光下產生粒子數反轉，在信號光誘導下實現受激輻射放大。同年。 第三階段(l990一):這個階段，半導體激光器和EDAF在光孤子通信系統(tǒng)中的成功應用，拉開了光孤子走向實用化的序幕。自90年代以來，日、美、英等國相繼出現以半導體LD作光源與泵浦源的實驗系統(tǒng)，用摻餌光纖放大代替喇曼放大，在實驗和理論上取得了巨大的進展。1991年，ATTamp。，并做了2x2Gb/s的波分復用系統(tǒng)的9000km的實驗。NTT則以直路用20Gb/s的脈沖列傳輸了350km，用10Gb/s的脈沖傳輸了1000km，還實現了1000000km的超長距離的傳輸，并突破Gordon一Haus效應對孤子傳輸距離的限制。同時，采用10Gb/s的脈沖，實現了的孤子的穩(wěn)定的傳輸。國內，從1984年起，我們就在基礎理論和光孤子傳輸演化特性分析、實驗方案、系統(tǒng)設計等方面開展了許多研究工作。在80年代末、90年代初曾己有多所院校開展光孤子通信理論與實驗研究，如東南大學、清華大學，北京郵電大學，上海大學、天津大學等，分別在國家自然科學基金、國家通信“863”計劃和相關部委支持下開展一些基礎性研究，主要研究內容有:光孤子源、光孤子補償放大器、單級孤子傳輸理論、單級短距離傳輸實驗、周期性集總補償放大長距離孤子傳輸理論、長距離光孤子傳輸控制理論等，均取得了可喜的成果。1984年，安徽光機所開展了連續(xù)鎖模憶鋁榴石(YAG)激光器的研制。1986年華南師范大學研制成功了色心激光器。1990年3月在南京市召開了我國首次光孤子通信和光孤子激光學術會議。1994年，武漢郵電研究所研制成功了EDAF，它具有增益高、噪聲低、增益特性與光偏振狀態(tài)無關等一系列優(yōu)點，達到了世界先進水平。在光端機的發(fā)送端加后置式EDAF，在接收端加低噪聲前置EDAF。1995年9月在連云港召開了第三屆全國光孤子通信和非線性導波學術會議。1999年初，我國“863”研究項目“ITDM光孤子通信關鍵技術研究”通過了專家驗收。:。采用惆啾光柵對20Gb/s信號在標準單模光纖中傳105km后造成的色散進行補償。該項目組還成功地進行了20Gb/s、105km的光纖傳輸。鑒于高速長距離孤子通信研究，國內技術基礎較弱，技術難度較大，研究經費不足，90年代中期后，研究工作進展緩慢，但南京郵電學院光纖通信研究所仍在繼續(xù)研究，楊祥林教授于2000年完成一項自然科學基金項目:光孤子兩個重要前沿理論的研究，被自然科學基金委評為特優(yōu)成果，現正在進行另一項自然科學基金項目“色散管理孤子理論及其應用研究”。光孤子通信作為一項具有美好前景的新型通信技術，是20世紀最重要的科技成就之一。它在發(fā)展的前景上具有無可比擬的優(yōu)越性。1）光孤子通信克服了色散的制約，當光強度足夠大時，會使光脈沖變窄脈沖寬度不到一個皮秒時，可以使光纖的帶寬增加10100倍，極大的提高了傳輸能量和傳輸距離。光孤子通信作為新一代光纖通信系統(tǒng)在洲際陸地和越洋通信等超長距離超大容量通信系統(tǒng)中大顯身手。2)光纖通信系統(tǒng)不但容量大、頻帶寬、增益高，更可貴的是從根本上改變了現有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來的損耗和不便。是一場光纖通信的革命。3)光孤子通信由于沒有使用電子元件，可以在很高的溫度下工作，甚至是1000℃的高溫，這對高溫條件下的自動控制或測量具有劃時代的意義。為人類提供了新的思想的傳輸系統(tǒng)。光孤子技術未來的前景是:在傳輸速度方面采用超長距離的高速通信，時域和頻域的超短脈沖控制技術以及超短脈沖的產生和應用技術使現行速率1020Gbit/s提高到100Gbit/s以上。在增大傳輸距離方面采用重定時，整形，再生技術和減少ASE，光學濾波使傳輸距離提高到100000公里以上。在高性能EDAF方面是獲得低噪聲高輸出EDAF。當然實際的光孤子通信仍然存在許多技術的難題，但目前已取得的突破性進展使我們相信，光孤子通信在超長距離、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系統(tǒng)中，有著光明的發(fā)展前景。如此美好的前景、如此誘人的事業(yè)，一定會吸引國內外眾多科技人員為之努力奉獻。第二章 光孤子傳輸基礎及其系統(tǒng)關鍵技術光孤子是由光纖中兩種最基本的物理現象，即群速度色散（GVD）和自相位調制（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來表示（β為光波波數, 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，這種現象稱之為群速度色散（GVD）。研究的結果表明， =1310nm處為零色散波長，λ稱之為反常色散區(qū)域，λ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[3]，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）傳輸得快，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：。上式中，n=，=1023V/m為非線性折射率系數。由上式可知，不同強度的脈沖分量相速度是不同的，這樣，在光脈沖傳輸的過程中將會產生不同的相移，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制效應在反常色散區(qū)的精確平衡。 光孤子傳輸原理光孤子的數學描述是根據Maxwell方程組，求得光信號在非線性色散介質（光纖）中的歸一化傳輸方程的非線性薛定諤（NLS）描述的，歸一化傳輸方程為：光孤子的數學描述是根據Maxwell方程組，求得光信號在非線性色散介質（光纖）中的歸一化傳輸方程的非線性薛定諤（NLS）描述的，歸一化傳輸方程為： (21)　　其中U，ξ，T分別代表光場包絡幅值，傳輸距離及時間的無量綱歸一化參量，而β2是光纖二階色散參量，通常用來表示群速度色散（GVD），N定義為（為非線形系數，為入射光峰值功率，為色散長度），則稱為歸一化損耗，定義為（為光纖損耗系數）。方程左端第一項表示光強包絡以群速運動；第二項表示色散影響，其中稱為符號函數，即根據是正值（正常群速色散區(qū)）或否值（反常群速色散區(qū)）取值為+1或1。而只有在反常群速色散區(qū)，才可以發(fā)現該方程的解有像脈沖一樣的孤子現象，稱為“明孤子”。在正常群速色散區(qū)，方程解僅表現為在均勻背景下出現的一個局部下陷的輪廊，正好與上述明孤子的輪廊相類似，所以稱這種現象為“暗孤子”。目前的研究僅限于明孤子，即取值為1的情況。第三項表示非線形效應，方程右端表示光纖損耗特性?！? 在理想無損耗的光纖中，用著名的逆散射法（Inverse Scattering Method）[21]求解，結果表明，僅當參數N為整數時，孤子的解才存在。具體來說，當初始光脈沖滿足雙曲正割形式： (22)及N=1時孤子的解即為： （23）　 這就是著名的基階光孤子雙曲正割表達式，顯然其強度和形狀將保持不變，如