【正文】 ）或否值（反常群速色散區(qū)）取值為+1或1。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。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)。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。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：。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。研究的結(jié)果表明， =1310nm處為零色散波長(zhǎng)，λ稱之為反常色散區(qū)域，λ稱之為正常色散區(qū)域。由于各諧波分量相速度不同，因而光脈沖包絡(luò)的傳輸通常以群速來(lái)表示（β為光波波數(shù), ω為載波頻率）。第二章 光孤子傳輸基礎(chǔ)及其系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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。當(dāng)然實(shí)際的光孤子通信仍然存在許多技術(shù)的難題，但目前已取得的突破性進(jìn)展使我們相信，光孤子通信在超長(zhǎng)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。在增大傳輸距離方面采用重定時(shí)，整形，再生技術(shù)和減少ASE，光學(xué)濾波使傳輸距離提高到100000公里以上。為人類(lèi)提供了新的思想的傳輸系統(tǒng)。是一場(chǎng)光纖通信的革命。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(zhǎng)距離超大容量通信系統(tǒng)中大顯身手。它在發(fā)展的前景上具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。鑒于高速長(zhǎng)距離孤子通信研究，國(guó)內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)較弱，技術(shù)難度較大，研究經(jīng)費(fèi)不足，90年代中期后，研究工作進(jìn)展緩慢，但南京郵電學(xué)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(xiàng)自然科學(xué)基金項(xiàng)目:光孤子兩個(gè)重要前沿理論的研究，被自然科學(xué)基金委評(píng)為特優(yōu)成果，現(xiàn)正在進(jìn)行另一項(xiàng)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“色散管理孤子理論及其應(yīng)用研究”。采用惆啾光柵對(duì)20Gb/s信號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳105km后造成的色散進(jìn)行補(bǔ)償。1999年初，我國(guó)“863”研究項(xiàng)目“ITDM光孤子通信關(guān)鍵技術(shù)研究”通過(guò)了專(zhuān)家驗(yàn)收。在光端機(jī)的發(fā)送端加后置式EDAF，在接收端加低噪聲前置EDAF。1990年3月在南京市召開(kāi)了我國(guó)首次光孤子通信和光孤子激光學(xué)術(shù)會(huì)議。1984年，安徽光機(jī)所開(kāi)展了連續(xù)鎖模憶鋁榴石(YAG)激光器的研制。國(guó)內(nèi)，從1984年起，我們就在基礎(chǔ)理論和光孤子傳輸演化特性分析、實(shí)驗(yàn)方案、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展了許多研究工作。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(shí)現(xiàn)了1000000km的超長(zhǎng)距離的傳輸，并突破Gordon一Haus效應(yīng)對(duì)孤子傳輸距離的限制。1991年，ATTamp。 第三階段(l990一):這個(gè)階段，半導(dǎo)體激光器和EDAF在光孤子通信系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，拉開(kāi)了光孤子走向?qū)嵱没男蚰弧?989年，日本的NTT研究所首次報(bào)道完成了摻餌光纖放大器(EDAF)用來(lái)補(bǔ)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(zhì)，在泵浦激光下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。1986年，他們又綜合設(shè)計(jì)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(lái)補(bǔ)償光纖損耗的辦法。1984年，LEMollneuaer等人制成了光孤子激光器，使光孤子實(shí)驗(yàn)得到了迅猛的發(fā)展。接著，在1982年，他們又提出利用周期性喇曼泵浦法來(lái)補(bǔ)充光孤子損失的能量。1980年，并在1985年的CLEO會(huì)議上演示了喇曼增益方法保證光孤子傳輸10kill的實(shí)驗(yàn)。光孤子通信研究大致可以分成三個(gè)階段: 第一階段(l973一1983年):提出了光孤子傳輸?shù)耐ㄐ爬碚摚竽懙念A(yù)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(kāi)了這一階段理論研究的序幕。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； 　?。?）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。光孤子的特點(diǎn)決定了它在通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景。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。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。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(dá)到平衡時(shí)的產(chǎn)物，所以光纖特性對(duì)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。光纖的群速色散(GVD)使孤子脈沖在傳輸過(guò)程中不斷展寬。1973年Hasegawa在理論上推斷，光纖中能夠形成孤子，1980年Mollenauer用實(shí)驗(yàn)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(gòu)建一種新的光纖通信方案，稱為光纖孤子通信。光學(xué)中孤波現(xiàn)象的研究始于1965年，先后發(fā)現(xiàn)了自聚焦空間孤子與非線性介質(zhì)波導(dǎo)中的傳輸孤子。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光孤子的形成及光通信中應(yīng)用光朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音字典朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音字典光孤子的形成及光通信中應(yīng)用畢業(yè)論文目 錄朗讀顯示對(duì)應(yīng)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(chǔ)及其系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 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(guān)鍵技術(shù) 14 光孤子傳輸系統(tǒng) 14 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 15 光孤子傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀及展望 17第三章 光孤子源 18 18. 增益開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器 18 FP濾波器 21 摻餌光纖放大器 22 被動(dòng)鎖模光纖環(huán)形孤子激光器 22 23 24 主動(dòng)鎖模光纖環(huán)形孤子激光器 27 27 28 主被動(dòng)鎖模光纖環(huán)形孤子激光器的結(jié)構(gòu) 33 數(shù)學(xué)模型 34 數(shù)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(jié) 49致 謝 50參考文獻(xiàn) 5150字典第一章 概述孤子是英文soliton的譯名，最早是英國(guó)海軍工程師于1834年偶然發(fā)現(xiàn)的船舶在河流中航行時(shí)形成的一種特殊的形狀不變的水波，稱為孤子波（solitorywave）。由此開(kāi)始，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家們對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了一個(gè)多世紀(jì)的深入研究，建了描述各種孤波現(xiàn)象的非線性方程。在光學(xué)中孤子這個(gè)詞以描述光脈沖包絡(luò)在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)的類(lèi)似于粒子特性為特征，在數(shù)學(xué)上是非線性波動(dòng)方程的局域行波解，在一定條件下，這種包絡(luò)孤波不僅不失真地傳播，且象粒子那樣經(jīng)受碰撞仍保持原形而繼續(xù)存在，稱為光學(xué)孤子或光孤子（Optical Soliton）。光中的孤子是光纖色散與非線性相互作用的產(chǎn)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。光纖損耗亦使脈寬按指數(shù)展寬，幅度指數(shù)衰減。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。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。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。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。 光孤子的研發(fā)歷程 光纖孤子通信涉及孤子的產(chǎn)生、傳輸演化、放大整形與傳輸控制等基本問(wèn)題。1973年，從理論上揭示了光孤子形成的機(jī)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。1981年初，.AHasge~和丫Kdemaa發(fā)表了單模光纖中用光孤子傳輸信號(hào)的著名文章，正是揭開(kāi)了光纖孤子通信的序幕。 第二階段(l984一1990年):成功的研制成了第一臺(tái)色心晶體孤子激光器，從而揭開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究的序幕。次年，他們又利用色心孤子源和喇曼增益補(bǔ)償損耗的辦法，使光孤子脈沖無(wú)畸變的傳輸了10km。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。同年。自90年代以來(lái)，日、美、英等國(guó)相繼出現(xiàn)以半導(dǎo)體LD作光源與泵浦源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用摻餌光纖放大代替喇曼放大，在實(shí)驗(yàn)和理論上取得了巨大的進(jìn)展。并做了2x2Gb/s的波分復(fù)用系統(tǒng)的9000km的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，采用10Gb/s的脈沖，實(shí)現(xiàn)了的孤子的穩(wěn)定的傳輸。在80年代末、90年代初曾己有多所院校開(kāi)展光孤子通信理論與實(shí)驗(yàn)研究，如東南大學(xué)、清華大學(xué)，北京郵電大學(xué)，上海大學(xué)、天津大學(xué)等，分別在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家通信“863”計(jì)劃和相關(guān)部委支持下開(kāi)展一些基礎(chǔ)性研究，主要研究?jī)?nèi)容有:光孤子源、光孤子補(bǔ)償放大器、單級(jí)孤子傳輸理論、單級(jí)短距離傳輸實(shí)驗(yàn)、周期性集總補(bǔ)償放大長(zhǎng)距離孤子傳輸理論、長(zhǎng)距離光孤子傳輸控制理論等，均取得了可喜的成果。1986年華南師范大學(xué)研制成功了色心激光器。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(wú)關(guān)等一系列優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。1995年9月在連云港召開(kāi)了第三屆全國(guó)光孤子通信和非線性導(dǎo)波學(xué)術(shù)會(huì)議。:。該項(xiàng)目組還成功地進(jìn)行了20Gb/s、105km的光纖傳輸。光孤子通信作為一項(xiàng)具有美好前景的新型通信技術(shù)，是20世紀(jì)最重要的科技成就之一。1）光孤子通信克服了色散的制約，當(dāng)光強(qiáng)度足夠大時(shí)，會(huì)使光脈沖變窄脈沖寬度不到一個(gè)皮秒時(shí)，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。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(xiàn)有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來(lái)的損耗和不便。3)光孤子通信由于沒(méi)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(duì)高溫條件下的自動(dòng)控制或測(cè)量具有劃時(shí)代的意義。光孤子技術(shù)未來(lái)的前景是:在傳輸速度方面采用超長(zhǎng)距離的高速通信，時(shí)域和頻域的超短脈沖控制技術(shù)以及超短脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用技術(shù)使現(xiàn)行速率1020Gbit/s提高到100Gbit/s以上。在高性能EDAF方面是獲得低噪聲高輸出EDAF。如此美好的前景、如此誘人的事業(yè)，一定會(huì)吸引國(guó)內(nèi)外眾多科技人員為之努力奉獻(xiàn)。 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）。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(lán)移）較低頻分量（紅移）傳輸?shù)每欤谡Ｉ^(qū)域，情況正好相反。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。上式中，n=，=1023V/m為非線性折射率系數(shù)。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(lèi)似的結(jié)果。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。 光孤子傳輸原理光孤子的數(shù)學(xué)描述是根據(jù)Maxwell方程組，求得光信號(hào)在非線性色散介質(zhì)（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(shù)學(xué)描述是根據(jù)Maxwell方程組，求得光信號(hào)在非線性色散介質(zhì)（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(chǎng)包絡(luò)幅值，傳輸距離及時(shí)間的無(wú)量綱歸一化參量，而β2是光纖二階色散參量，通常用來(lái)表示群速度色散（GVD），N定義為（為非線形系數(shù)，為入射光峰值功率，為色散長(zhǎng)度），則稱為歸一化損耗，定義為（為光纖損耗系數(shù)）。而只有在反常群速色散區(qū)，才可以發(fā)現(xiàn)該方程的解有像脈沖一樣的孤子現(xiàn)象，稱為“明孤子”。目前的研究?jī)H限于明孤子，即取值為1的情況?！? 在理想無(wú)損耗的光纖中，用著名的逆散射法（Inverse Scattering Method）[21]求解，結(jié)果表明，僅當(dāng)參數(shù)N為整數(shù)時(shí)，孤子的解才存在。圖21 基階（N=1）光孤子在一個(gè)周期內(nèi)的包絡(luò)演化　　正是基階孤子這種長(zhǎng)距離傳播不變形的優(yōu)異特性，使其成為光通信的理想傳輸技術(shù)；而對(duì)于N1，孤子解的形式將變得相當(dāng)冗長(zhǎng)，出現(xiàn)二階、三階等高階孤子，在傳輸過(guò)程中強(qiáng)度和脈寬也不會(huì)像基階孤子那樣穩(wěn)定不變，而是作周期性變化，即先變窄，而后分裂為個(gè)幾窄脈沖，最后在處恢復(fù)原形，如圖圖22所示。因此，到目前為止，在光孤子通信中，只使用基階孤子作為信息載波。根據(jù)光孤子絕熱特性[23]：即基階孤子面積等于其振幅與脈寬的乘積且恒為常數(shù)k，可見(jiàn)脈寬將依k exp(2T)而增寬，但仍保持面積不變。這正是