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光孤子的形成及其在光通信中的应用陈建文指导老师：李泽军孤立子的概念1834年，英国造船工程师罗素观察到一个奇妙的现象：由两匹马拉着的一只船在窄河道中急速行驶，当船突然停止时，有一圆滑的、轮廓分明的孤立突起波形离开船头继续前进，并保持形状不变。
称之为“孤立波”。
1895年，科特维格和德夫瑞斯为解释一维浅水水波建立一个非线性微分方程，称为KdV方程，该方程有一个解刚好对应于罗素所看到的孤立波。
1965年，扎布斯基和克鲁斯卡尔发表论文，发现两个孤立波碰撞前后波形和速度都保持不变，说明孤立波有明显的粒子性，并由此提出“孤立子”一词。
自然界中的“孤子”⏹自然界中不光浅水波是孤子⏹自然界中也发现了其他很多种形式的孤子⏹例如：大气孤子、固体孤子⏹甚至在人体中也存在孤子：神经孤子，被称为为“思维的基本粒子”。
⏹甚至磁场亦可具有孤子行为孤子的基本性质⏹1、它们是形状，传播模式等保持永久不变；⏹2、它们的存在有一定区域性，因为它们的存在于外界环境密贴相关;⏹3、它们可以与其他孤子相互作用，并可能出现碰撞，但是碰撞后自身形状，传播模式等保持不变。
对于孤子的研究水槽中的实验罗素在一长水槽的一端，用一重锤垂落入水中，反复的观察重锤激起水浪的运动。
实验结论水波移动速度v 、水的深度d 及水波幅度A 的关系为：B 为比例常数实验结果说明水波的运动速度与波幅高度有关，波幅高的速度较快，且波幅的宽度对高度之比也相对较窄。
罗素的发现)(2A d B v +=从波动观点看，孤立波是传播过程中保持自身形态不变的定域化的波。
并且两个孤立波碰撞前后波形和速度都保持不变。
孤立波solitary wave从粒子观点看，孤立子是能量被集中在有限时间和空间的孤立波。
并且两个孤立子间发生碰撞，碰撞后它们各自的能量不会随时间扩散，保持着原来的速度和形状。
孤立子soliton孤立波问题涉及到自然界中的各方面现象，并且有若干类非线性波动方程都存在稳定的孤波解。
智能光孤子系统技术及应用1.光孤子是一种在光纤中传播的稳定、单一的时空孤波，其存在和传输特性在光纤通信领域具有重要的理论和实际应用价值。
随着信息技术和光通信技术的飞速发展，对光孤子的研究已经从基本的理论研究走向了实际应用。
智能光孤子系统，作为一种新型的光纤通信技术，通过采用先进的控制和调制技术，实现了对光孤子的有效控制和高速传输。
2. 智能光孤子系统技术智能光孤子系统技术主要包括以下几个方面：2.1 孤子生成技术孤子生成技术是智能光孤子系统的基础，其核心思想是通过特定的调制技术，在光纤中产生具有特定形状和稳定性的光孤子。
目前常用的孤子生成技术有：光纤激光器、光子晶体和光开关等。
2.2 孤子控制技术孤子控制技术是指通过对孤子传输过程中的参数进行实时调整，以保持孤子的稳定性和传输性能。
这些参数包括孤子的幅度、频率、相位和传播速度等。
常见的孤子控制技术有：光调制器、光衰减器和光开关等。
2.3 孤子信号处理技术孤子信号处理技术是指在孤子传输过程中，对孤子信号进行处理，以提高其传输性能和可靠性。
这些处理技术包括：孤子信号的编码、解码、放大和滤波等。
3. 智能光孤子系统应用智能光孤子系统在光通信领域具有广泛的应用前景，主要包括以下几个方面：3.1 高速光纤通信智能光孤子系统可以实现高速、大容量的光纤通信，其传输速率可以达到数百Gbps，满足未来光纤通信的发展需求。
3.2 光分组交换通过采用智能光孤子系统，可以实现光分组交换，提高光纤网络的带宽利用率和交换效率。
3.3 光存储和光信号处理智能光孤子系统在光存储和光信号处理领域也有广泛的应用，可以实现高速、大容量的光存储和信号处理。
4. 结论随着光通信技术的发展，智能光孤子系统以其独特的优势，在高速光纤通信、光分组交换、光存储和光信号处理等领域具有广泛的应用前景。
未来，随着智能光孤子系统技术的进一步发展和完善，其在光通信领域的应用将更加广泛。
5. 智能光孤子系统的优势智能光孤子系统相较于传统的光通信系统，具有以下几个显著的优势：5.1 高传输速率智能光孤子系统可以实现极高的传输速率，远远超过传统的光通信系统。
摘要孤子现象存在于众多领域中，自孤子波在十九世纪被发现以来，孤子理论始终是数学、物理学和通信等领域中重要的研究方向。
光孤子的形成是光脉冲线性的时间域色散被非线性的自位相调制过程平衡。
光孤子不仅仅是一个重要的科学研究方向，它同时具有重要的应用前景，可能成为新一代的光通信传输模式和高速全光开关。
本文详细介绍了光孤子的基本理论及处理方法，光孤子通信的基本原理及其发展现状。
基于光孤子通信系统中孤子脉冲的传输所满足的变系数非线性薛定愕方程，研究了孤子脉冲的传输系统的关键技术。
主要的技术有:光孤子源：分析了三阶色散和五阶饱和吸收等高阶非线性效应对被动锁模光纤环形孤子激光器的稳定性的影响, 通过路径平均非线性薛定谔方程的求解,获得了被动锁模光纤环形孤子激光器稳定运行的条件。
用绝热近似法以及通过主动锁模光纤环形孤子激光器稳态锁模方程的求解，获得了这种激光器输出孤子脉宽的近似表达式和精确表达式，并对它们的适用范围进行了比较。
分析了一种新型的主被动锁模光纤环形孤子激光器.通过路径平均非线性薛定得方程的求解.获得了激光器稳定运行的条件，并作了数值模拟。
脉冲在色散缓变光纤中的传输特性和规律:光纤损耗引起孤子幅值指数下降，指数缓变色散起到放大作用，正好能够补偿光纤损耗引起的幅值下降；光纤色散变化参量引起孤子中心位置随传输距离作非线性漂移。
光孤子放大器：用常规掺铒光纤放大器放大超短光孤子存在一个重大困难,就是在放大过程中光纤非线性效应会引起孤子波形及频谱畸变,使得输出脉冲不再具有孤子特性,从而影响系统性能。
提出一种利用掺铒光纤环镜放大超短光孤子的新方法。
AbstractSoliton phenomena exist in many fields, from the soliton wave was found in the nineteenth century, since the soliton theory has always been mathematics, physics and important areas of communication research. The formation of soliton pulse dispersion is linear time-domain nonlinear process of self phase modulation balance. Soliton is not only an important research direction, it also has important applications, may become a new generation of optical communication transmission mode and high-speed all-optical switch. This paper describes the basic theory of optical solitons and treatment, the basic principle of optical soliton communication and its development status. Optical soliton communication systems based on soliton pulse which is satisfied by the transmission of variable coefficient nonlinear Schrödinger equation stunned to study the soliton transmission system of key technologies. The main technologies are:Soliton Source: analysis of five third-order dispersion and higher-order nonlinear effects such as saturable absorber for passive mode-locked fiber ring soliton laser stability, the average through the path of solving the nonlinear Schrödinger equation to obtain the passive lock mode fiber ring soliton laser stable operation conditions. Adiabatic approximation and by using active mode-locked fiber ring soliton laser mode-locked steady-state equation to obtain the laser output soliton pulse width of this approximate expression and precise expression, and their scope of application were compared. A new analysis of passive mode-locked fiber ring soliton laser. Through the path set at the average nonlinear Schrodinger equation. Obtain the conditions for stable operation of the laser and the numerical simulation. Pulse in dispersion-decreasing fiber in the transmission and law: the fiber loss caused by soliton amplitude fell, the index slowly varying dispersive amplification play, just to compensate for fiber loss due to decline in amplitude; fiber dispersion parameters caused changes in the center of soliton with the transmission distance for linear drift.Soliton amplifiers: the conventional erbium-doped fiber amplifier there is an ultrashort optical soliton major difficulties is that in the amplification process may cause nonlinear effects in optical fiber soliton waveform and spectrum distortion, making the output pulse is no longer with the solitons, thus affecting the system Performance. A proposed use of erbium-doped fiber loop mirror to enlarge A new method of ultrashort optical solitons.目录第一章概述 (1)1.1光孤子的基本概念 (1)1.2光孤子的特点 (2)1.3 光孤子的研发历程 (2)第二章光孤子传输基础及其系统关键技术 (5)2.1光孤子传输基础 (5)2.1.1光孤子形成的机理 (5)2.2 光孤子传输原理 (5)2.2.1光纤中光孤子传输遵循的非线性薛定愕方程 (8)2.2.2光孤子传输的基本性质 (10)2.2.3影响光纤孤子传输特性和传输容量的主要因素 (11)2.3 光孤子传输系统及其关键技术 (14)2.3.1 光孤子传输系统 (14)2.3.2 系统的关键技术 (15)2.4 光孤子传输系统实验研究现状及展望 (17)第三章光孤子源 (18)3.1光孤子源实验研究 (18)3.1.1. 增益开关半导体激光器 (18)3.1.2 F-P滤波器 (21)3.1.3 掺饵光纤放大器 (22)3.2 被动锁模光纤环形孤子激光器 (22)3.2.1被动锁模光纤环形孤子激光器的结构和工作原理 (23)3.2.2激光器稳定性的分析 (24)3.3 主动锁模光纤环形孤子激光器 (27)3.3.1主动锁模光纤孤子激光器的结构 (27)3.3.2主动锁模孤子激光器输出的孤子脉冲宽度与其结构参数的关系 (28)3.4 主被动锁模光纤环形孤子激光器的结构 (33)3.4.1 数学模型 (34)3.4.2 数值模拟 (35)3.4.3 激光器稳定性的分析 (36)第四章光孤子放大器 (40)4.1 掺饵光纤放大器（EDFA） (40)4.2掺饵光纤放大器的一般特性 (41)4.3 超短光孤子在掺铒光纤放大器中的放大 (42)4.4 超短光孤子在放大环镜中的放大 (44)总结 (49)致谢 (50)参考文献 (51)第一章概述1.1光孤子的基本概念"孤子"是英文soliton的译名，最早是英国海军工程师于1834年偶然发现的船舶在河流中航行时形成的一种特殊的形状不变的水波，称为孤子波（solitorywave）。
光孤子在光纤通信的应用学院：电气工程学院专业：通信1202班摘要：光纤通信系统不断地发展，光孤子通信即将被使用在其中，这是新技术的一场革命。
论文即将涉及光纤通信的发展过程,并对光孤子关键技术的原理及其动态和发展进行论述。
使我们进一步了解光孤子在光纤通信的应用。
关键词：光孤子；光纤通信1引言光纤通信应用越来越广泛,慢慢在有线网络的各个领域都有涉及，成为了通信网络发展的大趋势。
当前的光纤网络具有很多的优点，通信容量大，远距离传输损耗低，传输质量好，抗电磁干扰等等优点,我相信,全光网络很快即将到来。
信息传递会更方便。
在未来，我们的通信技术会更加完善。
我们所学习的光纤通信是经过漫长的发展才形成,从最初的烽火台传递信息,到近代19世纪Bell发明了最初的光电话,利用阳光和硒晶体,光电话通过200米的大气空间，最终传送了语音信号，实现了信息的传递。
之后虽然光通信技术进展缓慢,但在1960年激光器的发明，由此产生的强相干光为光通信提供了可靠的光源，随后光纤的出现大大促进光纤通信的发展.2光孤子通信技术不断发展,不同技术的应用:波分复用,光放大器技术，光接入网，推动了光通信技术技术不断的演进。
我相信,作为最前沿的研究,光纤孤子通信即将成为第5代光通信系统的核心技术.光纤孤子即光孤子，在19世纪英国工程师S.Russell发现船在行驶过程中，它最前方水峰基本保持不变，从而提出了孤立波的概念,在1965年,美国科学家N.J。
Zabusky在研究等离子体孤立波的碰撞过程中，发现孤立波相互碰撞后，不会产生太大的变化。
依然保持形状和速度不变，并保持能量和动量守恒。
1973年的时候，“光孤子”首先被A.Hasegawa和F。
Tappert提出，1980年,F。
Mollenaure等人最先从实验室中观测到了光纤中的时间光孤子，从此开始了光孤子通信的研究。
光孤子，是一种特殊形式的超短脉冲,光孤子在传播过程中，它的形状，幅度和速度都维持不变的脉冲状行波.在未来,这种稳定的脉冲必然是发展趋势。
光孤子自从1973年被Has egawa和Tapp ert提出以后，引起了人们广泛研究。
空间光孤子是光束在传播过程中由非线性效应平衡衍射效应的结果，空间光孤子一直是非线性光学研究前沿。
光孤子在全光网络，光通信以及光逻辑器件方面有着非常重要的应用，在Snyde r和Mit chell开创性地提出强非局域下空间光孤子模型后，有关强非局域非线性介质中的孤子研究在近几年一直是热点。
Guo等在理论上提出和论证了在强非局域下孤子传输会出现大相移现象，为逻辑门和光开关的实现提供了一个强有力的理论指导。
但是Snyd er模型为简化的理想模型，在真实的物理系统中，光束的传输将变得更加复杂，而且理论和数值模拟表明，高阶孤子不能够稳定传输。
在不同非局域程度下，不同非线性介质中的光孤子的传输性质以及孤子间的相互作用的研究已取得了很大的成果定义孤子(Solito n)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。
光孤子在光纤通信的基本应用作者：李峰来源：《硅谷》2013年第02期摘要：介绍了光孤子的产生、光孤子通信的基本原理、关键技术及其光孤子通信系统构成，展望了光孤子通信的前景。
关键词：光孤子；光脉冲；光放大器中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0120164-011 光孤子的产生光纤通信中，损耗和色散是限制传输距离和传输容量的主要原因。
损耗使光信号在传输时能量不断减弱；而色散则是使光脉冲在传输中逐渐展宽。
所谓光脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的集合。
光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真。
随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。
光信号的脉冲展宽是由于光纤的色散产生的，而光纤中还有一种非线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。
光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化。
在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。
这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄。
光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信。
2 光孤子基本原理光孤子通信是一种全光非线性通信方案，也是消除色散的最佳途径，其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。
另外它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制的同时，其传输容量比当今最好的通信系统高出1～2个数量级，中继距离可达几百公里。
光孤子的形成及其在光通信中的应用
穆聪
指导老师：高丽
孤立子的概念
1834年，英国造船工程师罗素观察到一个奇妙的现象：由两匹马拉着的一只船在窄河道中急速行驶，当船突然停止时，有一圆滑的、轮廓分明的孤立突起波形离开船头继续前进，并保持形状不变。
称之为“孤立波”。
1895年，科特维格和德夫瑞斯为解释一维浅水水波建立一个非线性微分方程，称为KdV方程，该方程有一个解刚好对应于罗素所看到的孤立波。
1965年，扎布斯基和克鲁斯卡尔发表论文，发现两
个孤立波碰撞前后波形和速度都保持不变，说明孤立波有明显的粒子性，并由此提出“孤立子”一词。
自然界中的“孤子”
⏹自然界中不光浅水波是孤子
⏹自然界中也发现了其他很多种形式的孤
子
⏹例如：大气孤子、固体孤子
⏹甚至在人体中也存在孤子：神经孤子，
被称为为“思维的基本粒子”。
⏹甚至磁场亦可具有孤子行为
孤子的基本性质
⏹1、它们是形状，传播模式等保持永久不变；
⏹2、它们的存在有一定区域性，因为它们的存在于外界环境密贴相关;
⏹3、它们可以与其他孤子相互作用，并可能出现碰撞，但是碰撞后自身形状，传播模式等保持不变。
对于孤子的研究
水槽中的实验罗素在一长水槽的一端，用一重锤垂落入水中，反复的观察重锤激起水浪的运动。
实验结论
水波移动速度v 、水的深度d 及水波幅度A 的关系为：
B 为比例常数
实验结果说明水波的运动速度与波幅高度有关，波幅高的速度较快，且波幅的宽度对高度之比也相对较窄。
罗素的发现
)
(2A d B v +=
从波动观点看，孤立波是传播过程中保持自身形态不变的定域化的波。
并且两个孤立波碰撞前后波形和速度都保持不变。
孤立波solitary wave
从粒子观点看，孤立子是能量被集中在有限时间和空间的孤立波。
并且两个孤立子间发生碰撞，碰撞后它们各自的能量不会随时间扩散，保持着原来的速度和形状。
孤立子soliton
孤立波问题涉及到自然界中的各方面现象，并且有若干类非线性波动方程都存在稳定的孤波解。
光学领域：光孤子
光纤中孤立子的形成机理
光学孤子
当光场在光纤中传播时，由于光纤的色散效应会发生脉冲展宽。
当强光在光纤中传播时，会引起一系列的非线性效应，其中之一就是压缩脉冲宽度。
当展宽作用与压缩作用恰好抵消时，光脉冲形状保持不变。
光纤孤子。
光孤子通信系统简介
KdV 方程的孤立波解设方程的解为方程变为整理后
其解是罗素观察到的水面上奇特水波
第3节孤子的波动方程
3.1. KdV 方程)()(0ξu t v x u u =-=0)(33=+⋅++x
u x u v t u ∂∂β∂∂χ∂∂0220=+-+∂ξ∂β∂ξ∂∂ξ∂χ∂ξ∂u u v u u u 0)(33=+⋅-∂ξ
∂β∂ξ∂αu u u χα-=0v ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=)(4sech 3)(02
ξξβααξu
非线性薛定谔方程与光学孤立子
1.光纤中的光脉冲压缩效应
2.非线性薛定谔方程（NLSE）
及孤立波解
3.光学孤立子的传播特性
色散脉冲展宽
k n c
ω=20001()()2
k k k k ωωωω'''=+-+-+L 001g
dk k d v ωωωωω=='==000
22211()g g g dv d k d k d d v v d ωωωωωωωωω===''===-
0k ''>0g
dv d ω
<0k ''<0g
dv d ω>正常色散反常色散
02322222d k d n k d c d ωωλωπλ
=''==220d n d λ>220d n d λ<002221g g dv d k k d v d ωωωωω
ω==''==-
总的群延时差m n w
ττττ∆=∆+∆+∆m
τ∆多模色散n
τ∆光纤材料色散w τ∆光纤波导结构色散引起
m n w
τττ∆>>∆>∆群延时1g g
v τ=constant
g τ≠群延时差
克尔效应02n n n I
=+0
n 线性折射率2n 克尔系数
设光脉冲在光纤中传播长度为，则由克尔效应引起的相位移动为l 20
2n Il
π
φλ∆=自相位调制附加相位引起的频移
202I n l t t
φπδωλ∂∆∂=-=-∂∂
附加相位引起的频移
202I n l t t
φπδωλ∂∆∂=-=-∂∂脉冲前沿0I t
∂>∂0δω<脉冲后沿0I t
∂<∂0δω>反常色散
0g
dv d ω>脉冲前沿速度变小，脉冲后沿速度变大
脉冲压缩
光纤中的光脉冲压缩效应入射进光纤光束为强激光，常看成准单色光。
在强光作用下，光纤出现非线性极化。
极化矢量P 与场强E 的关系：
χ(1)，χ(2)，χ(3)，分别为线性的与二次、三次极化率，通常由电感应矢量D 与极化矢量P 。
忽略高次非线性效应：
，介质折射率为
由于n 1 光在光纤中产生相移
相移量与光强有关，因而导致不同部位的光脉冲有不同相移，称自相位调制(SPM)，SPM 相移引起频率移动
光纤的非线性效应
Λ
+++=)3()2()1(EEE EE E P χχχ0
)2(=χE D )+(=10εε21020)3(010E E 211n n n +=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+≈+==εχεεεε)
(2)(1t LI n t λπ
φ=∆t
I L n t ∂∂-=∂∆∂-=∆102λπφωn 1为非线性折射率L 为光纤长度
sine-Gordon 方程孤立波解
解的性质：
(1) 扭折解
当时，; 当时，(2)反扭折解当时，; 当时，
Sine —Gordon 方程解可以解释的物理现象：
晶格位错的传播、磁体中畴壁的运动
电荷密度波、基本粒于模型、
超导约瑟夫逊结的列阵构成的传输线等。
S -G 方程解
)
(tg 41χξπ+-++-=e u ∞→ξπ
→u -∞→ξπ
-→u )
(tg 41χξπ---+-=e u ∞→ξ-∞→ξπ
-→u π→u
孤子在通信方面的应用以及发展前景⏹1、光孤子通信研究大致可分为以下3 个阶段
⏹第一阶段(1973～1983年) , 提出和演示了光孤子的传输, 主要成就
是研制成功了色心晶体孤子激光器和色散位移光纤。
⏹第二阶段(1984～1993年) , 主要研究成果是:提出了平均孤子理论
发现了G-H (Gordon-Haus)极限; 研制成功了EDFA(掺饵光纤放大器)和导频滤波器,
⏹ 1 9 9 4 年开始进入第三阶段, 这是光孤子通信走向实用化的阶段,
要解决光孤子通信所用元器件的实际问题,
世界各国对于光孤子通信的研究现状近年来, 光孤子通信系统的研究与开发已取得可喜成果, 国外已进行了一系列野外现场试验. 日本NTT 进行了单信道20Gbit/s~40Gbit/s、传输距离为1000km~ 2000km 的孤子东京城域网试验, 欧洲ACTS 采用色散补偿技术的多吉比特互联( MDAS) 计划了中进行了40Gbit/s~
100Gbit/s 波分复用孤子传输试验以及最近提出的孤子通信系统ITU-T标准建议等[ 都表明孤子通信技术已趋于成熟, 商用化时代即将到来.
我国孤子通信的发展现状
⏹国内在相关方面的研究总体上和国外仍
存在较大差距，但个别项目上也有所突
破
⏹1994年掺铒光纤放大器在武汉通过鉴定．由武汉邮电科学研究院研制的EDFA，具有增益高、噪声低、增益特性与光偏
振状态无关的良好性能，达到世界先进
水平．。
