空间光孤子（共5篇）
空间光孤子 篇1
在非线性光学中, 存在着一种光束自聚或散焦效应, 这种效应主要是由于介质的折射率指数随入射光场强度成比例的变化所引起的。其中的自聚焦效应指的就是光束自陷 (Self-trapping) 现象, 即, 自聚焦效应发生后, 在一定条件下, 光束会在介质中传输很长一段距离但光束直径基本保持不变。光束自陷由于光束的相干程度可以分为相干光自陷、部分相干光自陷和非相干光自陷, 其中部分相干光自陷存在于具有非瞬时响应的非线性介质中, 兼具剩余二者的部分性质, 同时也产生了许多新的特性, 这对于解释部分相干光自陷机理制造了重重障碍, 因而显得特别复杂。
部分相干光自陷最早是由M.Mitchell、Segev等在实验中观察到的, 近年他们又利用波长范围在380～720nm内的白炽灯成功的激发了空间亮孤子, 这极大有别于传统概念的“相干光孤子”。研究结果表明, 非相干光束所形成的“感应波导”具有低阈值功率, 高传播稳定性, 在实现光对光的导引方面具有更为明显的实用价值。
自陷光束的产生是光束的衍射与自聚焦相互作用的结果, 但是这种结果并不总是稳定的。比如在克尔非线性介质中, 只有1+1维的情况下才会发生稳定的光束自陷。当衍射方向的维度增加时, 入射光束不会形成稳定的自陷, 而是会最终坍塌破碎。在这种情况下, 只要有一个小的扰动都会促使光束偏离平衡状态, 造成光束的坍塌或者发散, 这样就无法产生稳定的自陷。但是只要人为的增加一些限制条件, 高维状态下 (诸如2+1维、3+1维等) , 稳定自陷还是可以实现的, 人们已先后发现在二次型介质和光折变介质中可以实现一定条件下的高维稳定光束自陷。按照非线性机制的不同, 自陷光束可以分为克尔类空间孤子、参量空间孤子、光折变空间孤子三类。
克尔类空间孤子是最早被人们发现的一种自陷光束, 它与材料的光致折射率有关, 往往要求非线性介质具有中心反演对称性, 而且克尔效应比较弱, 要产生克尔孤子需要很大的光强 (一般为1MW/cm2) , 不利于实际应用。这里就不做赘述。这里主要探讨的是光折变空间光孤子的物理机理和相互作用。
光折变光孤子是由光折变效应产生的光孤子, 在光的照射下光折变晶体内部的杂质、空位或缺陷可被激发出自由电荷 (图1) 。这些自由电荷将迁移离开光照区而留在暗光区, 从而形成了对应于光强空间分布的电场分布, 并通过克尔电光效应使介质折射率发生相应变化, 对光束产生了一定的空间约束作用。当这种空间约束与光束的衍射发散作用相平衡时, 入射光束便在晶体中形成了空间孤子, 这就是光折变空间光孤子。
光折变非线性介质在外加直流电压时会引起介质内部电荷移动, 而移动后的电荷又会导致空间电荷的扩散效应, 从而产生非局域非线性现象。在适当条件下, 介质的非线性可表现出较强的非局域性, 即, 介质中某点处的非线性与整个光场或者该点周围某个区域内的光场强度有关。如果在非线性介质中传播的光脉冲或光束, 其时间或空间上的展宽能够被介质的非线性效应所抵消, 则可以形成空间光孤子, 而且只需要毫瓦级的光强便能实现大的折射率变化。形成有效地光孤子。目前主要有两类, 按照是否需要外加电场, 分别称为屏蔽光孤子和光伏光孤子。屏蔽光孤子的产生需要在光束纵向传播时外加横向直流电场, 这样光照区会引起介质内部的非均匀电荷分布, 通过线性电光效应 (泡克耳斯效应) 改变介质折射率。这时我们可以通过改变外加电场的方向来改变光束在晶体内的状态, 在自聚焦和自散焦中转化, 从而呈现出亮光孤子和暗光孤子。当不外加电场时可以产生由晶体光伏特性决定的光伏孤子, 分别在LiNbO3和掺铜KPNSB中观察到暗光伏孤子和亮光伏孤子。图2是在光折变晶体铌酸锶钡 (SBN) 晶体中观察到的孤子光束和自由衍射光束图像, 我们可以清楚的看到, 自由光束的直径随传播距离的加增大而增大, 逐渐发散, 而孤子光束则沿着传播方向基本保持不变形状, 未出现发散情形。
实际上还存在一种瞬态的准稳态孤子, 这是人们最早发现的一类光折变空间孤子, 它与其它两种孤子不同的是其它类型都是稳态孤子。准稳态光折变空间光孤子的首例实验观察是由Duree等人于1993年在掺杂铌酸锶钡 (SBN) 晶体中做出的。他们发现了准稳态孤子的横向尺寸只依赖于入射光束的横向尺寸, 不依赖于入射光束的绝对光强, 因而只要毫瓦级的入射功率即可。接着1994年Segev等人给出相关的理论证明, 他们把入射光束看做许多不同空间频率平面波的相干叠加, 叠加产生的干涉条纹通过光折变效应在介质中引入折射率光栅, 这样反过来又可以抑制光束的衍射形成稳定的自陷光束, 基于这一表述论证, 从而掀起了一股研究准稳态光孤子的热潮, 同时也取得了一系列的重大成就与突破。
稳态孤子是一类可以很好的用麦克斯韦电磁理论来描述和近似求解的光孤子。当光束不是太窄或者光折变材料的扩散效应不强的情况下, 通常还可以忽略扩散效应的影响, 从而得到简化。根据Kukhtarev带输运模型可以给出一组描述光折变效应的动力学方程 (即速率方程、连续性方程、电流方程和泊松方程) :
其中N是导带电子数, ND是施主数密度, 是电离施主数密度, NA表示受主数密度, β是热激发几率, sI是光激发几率, γ是电子复合常数, q是电子电量, 是电流密度, μ是电子迁移率, 是电场矢量，是波尔兹曼常数, 是光伏张量在c轴上的分量, I是光强。
我们要得到光孤子的还必须先得到光束在光折变晶体中演化所满足的方程, 这一点通过麦克斯韦方程组和光折变效应引起的折射率变化规律的结合是可以得出的。在傍轴单色线偏振光振幅渐变的条件下, 可以得到NLS方程 (非线性薛定谔方程)
其中n0为材料对应于入射光的背景折射率, k0是真空中入射光波数, E是光束电场分量, rijk是线性电光张量, gijk是非线性电光张量 (实际上我们常常在非中心对称介质中不考虑非线性项, 在中心对称介质中忽略线性项) , ∇2是拉氏算符, 在不同维度下表度也不同。空间孤子则是该方程的一类特殊解, 空间孤子能量不扩散, 波形不变。在线性条件下这类解是可以得到的, 即不衍射光束, 诸如平面波、正弦波、余弦波、X波、Bessel波等, 实际上由于光孤子的“有限能量在小尺度连通区域上的静态聚集”, 使得光空间孤子除暗孤子外都是将能量局限在有限宽度内, 而无穷远处的场效应为零。
另一类被人们广泛研究的光折变自陷光束是“屏蔽孤子”, 前面已经说明了它与准静态孤子的不同之处, 即入射光束对晶体的外加电场的非均匀屏蔽, 在Kukhtarv动力学方程组满足1的近似条件时, 电场强度E和光强I满足方程。在一般情况下, 有成立, 同时忽略扩散作用和z的导数, 我们可以解出晶体内部的空间电荷场。把光折变介质简化为1+1维情形, 我们不难得到E的近似表达式, 即其中Lab表示a、b电极间的距离, 有时也被称为等效暗区辐照强度。当将这些参量代入光传播方程时可以得到归一化方程和它的通过数值积分得到的解, 因而可以通过改变外加电场的方向控制“屏蔽孤子”的亮暗形态。实际上也正如得名所来, “准静态光孤子”与“屏蔽光孤子”的机理有很大差异, 由于入射光和散射光的相互作用, 准静态光孤子只能在有限的时间内存在;而屏蔽光孤子则不同, 只要物理条件足以维系, 则理论上是可一直稳定存在的。这在过往的实验中已经得到了很好的论证和观察。还需要特别指出的是, 屏蔽光孤子产生时暗区电导率很低, 光激发电荷容易过度堆积, 从而影响自陷光束的稳定性, 我们在实际的实验过程中常常采用人工光照的方法来加以克服。
对于光伏孤子, 它是由光伏效应引起的光伏电流形成的光伏场, 进而使晶体折射率改变所形成的。G.C.Valley等于1994年首先预言了光伏孤子的存在, 并给出理论求解:与“屏蔽光孤子”类似, 我们可以用Kukhtarev带输运模型所建立的动力学方程组来导出晶体内部空间电荷场, 开路:，闭路, 其中, 是光伏场, 。这里所谓的闭路开路是指是否与外电路相连。这样当把两个方程代入光传播方程时可以得到:
其中, , 。
当a>0时, 方程 (1) 、 (2) 有亮孤子解, 当a<0时, 有暗孤子解。1995年, Taya等人用波长为488nm、强度为10W/cm2在LiNbO3晶体中观察到了宽度约20μm的光伏暗孤子, 他们还观察到1+1维暗光伏孤子形成的波导结, 这对研究暗光伏孤子性质有很大推进作用。1997年, S.Bian等导出了在外加非相干均匀背景光照射下, 光伏光折变晶体的非线性折射率分布方程, 给出了晶体折射率的非线性形式与外电路条件有关, 并用波长为532nm的激光通过z-扫描实验估测了LiNbO3的自透镜特性及光伏场。2000年刘思敏、凌振芳等人研究发现, 在适当的近似条件下, 光伏光折变非线性可以支持圆对称的涡旋孤子, 而且得出了光伏光折变介质中空间电荷场的形式解, 这次研究还涉及到了2+1维光束特性的研究。与级联二阶非线性一致的是, 光折变介质同时支持1+1维和2+1维的稳定自陷。2006年, Peng Zhang等人在Fe:LiNbO3晶体中利用暗光伏孤子诱导出条形波导。同年, 卢克清等人详细叙述了相关诱导光波导的特性。
尽管光折变晶体中的自陷光束存在很多物理机制, 但是它有很明显区别于其他光孤子的特性, 即:激发阈值功率低, 非局域相应性等。这些都使得光折变空间孤子在被动光导引和光互连技术上具有相当诱人的潜在应用前景。
实际上光折变空间孤子还存在很多类型, 例如, 具有中心反演对称性的光折变晶体的光空间孤子, 光这边聚合物孤子, 光折变全息孤子等。目前, 光伏晶体中的离散孤子也引起了人们的关注, 而且光折变孤子以其在光学领域诸多方面的潜在应用价值使得人们越来越关注相关方面的研究, 由此兴起的孤子研究极大地发展了光伏孤子的理论, 并有些部分类型的孤子已经应用在了光纤通信等光学领域, 必将前景广阔。
参考文献
[1]Mitchell M., Chen Z., Segev M et al., Theory of self-trapped spatially incoherent light beam, Phys.Rev.Lett[J].1996.
[2]Mitchell M., Segev M.Nature[J].1997.
[3]戴翠霞, 刘立人, 刘德安.光折变空间光孤子[J].激光与光电子学进展, 2005, 9, 42卷.
[4]陈炯.非线性波的自陷稳定性分析及其相互作用[D].上海:上海大学出版社, 2002.
[5]侯春风, 李师群, 李斌, 等.光折变介质中的空间孤子[J].物理学进展, 2001.
空间光孤子 篇2
空间非局域性指的是介质中某点对光场的响应与该点及其周围的光场有关, 即该位置的折射率的改变与该点和周围的光强共同决定。根据介质响应函数的特征宽度和光束宽度的相对大小可决定非局域性的强弱, 通常把非局域程度划分为强非局域, 亚强非局域, 弱非局域等。非局域空间光孤子是存在于空间非局域非线性介质中的光孤子。空间光束在非线性介质中传输时会由于衍射效应而发散, 然而介质的非线性效应又会对光束产生汇聚的作用, 当衍射效应与非线性效应达到平衡时, 光束便会在非局域非线性介质中形成一种自陷或自导的稳定传输状态的现象, 即非局域空间光孤子。在非局域空间光孤子的潜在应用中, 无论是光开关、光网络还是光计算机等, 均会涉及到光束与光束间的相互作用, 因此研究非局域空间光孤子的相互作用具有一定的现实意义[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。本文主要概述了近些年来非局域空间光孤子相互作用的研究进展。
1 研究进展
1997年, 在非局域空间光孤子理论中, Snyder-Mitchell模型是一个特殊的模型, 它是超强非局域的特殊情况, 由于此模型是一个线性模型, 具有线性叠加的性质, 只要知道单个孤子解就可以知道相互作用的解, 要求是它们的总功率是单孤子的功率[1], Snyder-Mitchell模型下非局域孤子的一个突出的性质是反相孤子的互相吸引, 而且任何相位差的孤子都是吸引的;这是在局域情况中所没有的, 相位对局域孤子有很大的影响, 而反相局域孤子是相互排斥的。
在Snyder和Mitchell的工作之后, 有关非局域孤子的理论不断取得进展。人们在非局域空间光孤子相互作用方面发现了更加丰富的物理内容, 表现形式多种多样, 例如孤子光束的分裂, 两束光的聚合以及相互排斥, (1+2) 维孤子的DNA螺旋式缠绕共同传输, 还有相位对孤子相互作用的影响等等, 并且发现在非局域程度没有那么强的情况下, 存在了一个临界的非局域程度使得反相孤子能够相互吸引。
在具体的材料中, 首先是M.Peccianti[2]等在实验上研究了向列相液晶中非局域孤子的相互作用;2005年, Ku等从理论和实验上都证明了孤子间的相干性会对孤子间的相互作用产生影响。因此, 相干系数是高于还是低于阈值决定了两个反相孤子相互吸引或是排斥。基于 (1+1) 维的向列相液晶模型, Rasmussen等[3]在理论上研究了向列子的相互作用, 即存在一个临界非局域系数, 高于此系数两个反相孤子也会相互吸引。
2006年, Rotschild等[4]在铅玻璃中研究了非局域孤子的长程相互作用, 发现在孤子间距为孤子光束10倍以上时双孤子依然存在明显的相互作用;胡巍、郭旗等[5]人在实验上研究了通过电压可以控制向列相液晶中空间光孤子的相互作用, 他们发现当超过某个临界非局域程度时, 两个反相孤子会由相互排斥变成相互吸引。
2008年, 胡巍、欧阳世根等[6]发现非局域空间光孤子短程相互作用的的有趣现象, 在双孤子间距很小时, 双孤子会融合在一起共同传输, 而相位差使得它们以不同的角度偏转直线传输。同年, 胡巍小组的成员对光束在向列相液晶中的传输进行了研究, 在实验中得到了输入功率、临界功率以及孤子间距对相互作用的影响。
2009年, 陆大全等[7]在理论上对强非局域非线性介质中多光束的相互作用进行了研究;同时, 曹龙贵等[8]在理论和实验上对向列相液晶中空间光孤子的长程相互进行了研究, 发现当孤子间距为初始束宽的43倍时仍然可以看到其相互作用, 而这个间距远大于铅玻璃中的孤子相互作用的间距。
2015年, 胡巍小组[9]在理论和实验上研究了向列相液晶中空间光孤子一般间距时的相互作用, 分别分析了相位以及外置偏压对相互作用的影响。
综上所述, 相位、介质、输入功率、临界功率、孤子间距、非局域程度、外置偏压等因素均影响着非局域空间光孤子的相互作用。
2 结语
以上主要针对某些特定材料中双孤子的相互作用做了一些阐述, 实际应用中光束传输的材料有很多种, 所以上述概述并不全面。并且在之前的研究中, 大多数情况都是在不考虑边界条件时进行的, 而很多实际情况中边界条件却不容忽视, 且这些情况下的应用价值可能更大, 所以对空间光孤子相互作用的研究工作还有待进一步深入。
摘要：综述了近些年来光束在非局域非线性介质中相互作用的研究进展。研究发现功率、孤子间距、孤子束宽、非局域程度、相位、外置偏压等因素对孤子的相互作用均会产生影响, 最后提出一些不足之处与研究展望, 可为实现光路由、全光开关以及光逻辑门等提供可行性的参考。
关键词：非局域非线性,空间光孤子,向列相液晶,相互作用
参考文献
[1]A.W.Snyder, D.J.Mitchell, Accessible solitons[J].Science, 1997, 276 (6) :1538-1541.
[2]M.Peccianti, K.A.Brzdakiewicz, G.Assanto.Nonlocal spatial soliton interactions in nematic liquid crystals[J].Opt.Lett.2002, 27 (16) :1460-1462.
[3]P.D.Rasmussen, O.Bang, and W.Krolikowski.Theory of nonlocal soliton interaction in nematic liquid crystals[J].Phys.Rev.E, 2005, 72 (10) :066611.
[4]C.Rotschild, B.Alfassi, O.Cohen and M.Segev.Long-range interactions between optical solitons[J].Nature Physics, 2006, 2 (10) :769-774.
[5]W.Hu, T.Zhang, Q.Guo, et al..Nonlocality-controlled interaction of spatial soliton in nematic liquid crystals[J].Appl Phys Lett, 2006, 89 (7) :071111.
[6]W.Hu, S.G.Ouyang, P.B.Yang, et al..Short-range interactions between strongly nonlocal spatial solitons[J].Phys Rev A, 2008, 77 (3) :033842.
[7]D.Q.Lu, W.Hu.Theory of multibeam interactions in strongly nonlocal nonlinear media[J].Phys.Rev.A, 2009, 80 (5) :053818.
[8]L.G.Cao, Y.J.Zheng, W.Hu, et al..Long-Range Interactions between Nematicons[J].Chin Phys Lett, 2009, 26 (6) :064209.
光孤子和色散管理系统 篇3
孤子是英文“Soliton”的译名,来自于流体力学。它的具体含义是指经过长距离传输而保持形状不变的脉冲。在光学中,孤子这个词用来描述光脉冲包络在非线性介质中传播时的类似于粒子的特性,在数学上是非线性波动方程的局域行波解。在一定条件下,这种包络孤波不仅不失真地传播,而且象粒子那样经受碰撞仍保持原来的形状而继续存在,称为光孤子。[1]
光学中孤波现象的研究始于1965年。1973年,美国Bell试验室Hase gawa等人将孤子观点引入光纤传输中,提出了利用光纤非线性在反常色散区进行光孤子传输的设想。1980年Bell试验室Mollenewor等人首次在试验室中观察到了光孤子。光孤子理论的出现,是现代通信技术发展的一个里程碑。现代通信技术的发展一直朝两个方向努力,一是大容量传输,二是延长中继距离。普通的光纤通信必须每隔几十千米设一中继站,对信号脉冲进行整形、放大、检查误码,再发射。理论上说,利用光孤子的光纤通信可以不用中继站,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极远的距离,如图1.1所示:[2]
实验表明,光孤子在10Gbps的码率下保持的距离超过106km,而且光孤子通信的传输速率极高,可达到100Gbps以上,因此光孤子通信无疑是实现超长距离、高速通信的重要手段,被认为是第五代光纤通信系统。
光孤子通信系统的基本组成结构如图1.2所示,图中Tx为光孤子发送端,SS为光孤子源,Mod为光调制器,BA为功率放大器,ISO为隔离器,STF为孤子传输光纤,LA为线路放大器,TCS为光孤子传输控制装置,PA为前置放大器,Rx为光孤子接收终端。[1]
二、光孤子通信的一些问题
在进行理论上的分析时,人们往往采用数值模拟,忽略次要因素,以及简化传输系统的方法[2][3],这样固然可以得到表现完美的光孤子传输,但也只是在理论上使人们认为在提高光纤通信系统的性能上有一个更加广阔的空间。文献[4]指出在实际应用中,光孤子通信还有若干问题需要解决,这些问题是光孤子自身的性质所决定的。
1. 光纤损耗
一般在理论分析和模拟中,光纤的损耗都是被忽略的因素。不过在长距离的传输中,即使位于光纤的最低损耗波段,线路损耗的影响也是需要考虑的。当光纤的损耗存在时,光信号的峰值功率会随着传输距离的增加而下降,这种下降的后果之一就是光孤子的展宽,不过这种展宽会受到光纤的非线性作用而变小;其次是由于光纤内电场强度的减弱造成的光纤非线性效应的减弱,这会破坏光孤子的平衡条件。
2. 码间干扰
光孤子通信一般采用归零码,两个相邻的光孤子会产生相互影响。一般来说,两个相邻的光孤子如果同相,就会相互吸引,结果是两者在光纤中周期性的碰撞;而反向的情况下,两个光孤子会相互排斥,随着传输距离所谓增加,两者就会越来越远。不论是那种情况,通信的误码率和传输速率都会受到影响。
3. 频率啁啾
由激光器产生的光信号或多或少的都会有频率啁啾。在注入光纤之后,这种光脉冲的初始频率啁啾会影响光纤群色散和自相位调制之间的平衡。对于正啁啾,脉冲开始时会出现频谱展宽和脉冲压缩,然后随着传输距离的增加,光纤的群速度色散和非线性效应达到平衡,这时形成的是一阶光孤子。对于负啁啾,除了没有初始的脉冲压缩,其它的情况相似。
4. 时间抖动
光孤子的时间抖动会形成误码。时间抖动可能是放大器的自发辐射的噪声引起的,它会使光孤子的幅度和相位发生随机的变化,使光孤子到达接收端的时间随机变化。时间抖动也可以是由于自频移引起的,这种抖动的产生是脉冲内部的受激拉曼散射,使得脉冲频谱向较长波长端移动,它会造成光孤子的群速度下降,从而使光孤子到达接收端的时间发生变化。
5. 多信道光孤子的相互影响
不同波长的信号复用在同一条光纤中,由于不同信道的光孤子具有不同的载频和群速率,这样某一信道的光孤子有可能周期性的和其他信道的光孤子发生碰撞。碰撞中,两个光孤子之间会发生交叉相位调制,慢孤子的会发生阻碍,快孤子会加速,而碰撞结束后,两个孤子会回到原来的速率。由于碰撞,光孤子发生了时间移动。并且如果碰撞刚好发生在光放大器中,这种碰撞导致的时间移动会被放大,使光孤子出现时间抖动。
三、色散管理方法
传统的通信方式没有比较好的方法解决以上光孤子通信中的问题,为了发展长距离,高速率的光孤子通信,人们进行了广泛的研究,认为色散管理光纤系统是不错的选择。
光纤的色散管理是将光孤子在线路中实用化的一种有效方法。其主要思想是通过适当地配置光纤传输线路中的色散值,降低整个线路中的平均色散,以其改善光孤子的传输性能。
一般来说,色散管理就是利用正、负色散光纤的周期性连接,达到降低整个线路中色散的目的。这种周期性连接产生的光孤子和理论上保持波形稳定的光孤子不同,光信号的包络并不是不会改变,而是随着光纤的正负色散周期,包络会呈现出一种周期性的形状改变。当包络在光纤链路中行进了一个正负色散周期后,就可以回复到前一个周期的形态上。从这方面来看,色散管理孤子实际上是一种“准孤子”,而不是一般意义上保持信号包络不变的光孤子。
从实际的应用来看,色散管理孤子与普通孤子相比具有很多优点,如高的孤子能量,降低波分复用系统中的四波混频的效率,减少戈登-豪斯效应引起的系统的时间抖动,抑制偏振模色散,减少波分复用系统中不同信道中的孤子的碰撞导致的孤子频率的偏移等。
3.1色散管理孤子的能量增强
传统意义上的光孤子是由于光纤色散和非线性效应平衡而产生的。光纤的色散和光纤本身的性质和入射信号的波长有关,而非线性效应主要决定因素中包括了入射光信号的电场强度,使得要形成光孤子,就需要在以上几个方面得到比较好的平衡。这就限制了系统注入的信号能量,不能随意提高信号的功率,对通信系统的信噪比的提高是不利的。
色散管理系统和传统意义上的光孤子不同之处在于其平均色散虽然满足光孤子的传输条件,但是在每段正常色散光纤中还是会发生包络的展宽。从整个链路上来看,色散导致的展宽会起到主要作用,最终影响信号的传输。不过由于色散管理中非线性效应的作用弱化,就可以对初始的注入光功率进行一些改进。
文献[5]对色散管理孤子的能量增强进行了研究,利用能量增强因子,将初始的能量提高了一倍以上,在同样传输了50个色散周期(10000km)后,在传输的稳定性方面增强的光孤子明显好于未增强的光孤子。如图3.1所示。
3.2色散管理孤子和初始啁啾
在实际的光孤子传输系统中,激光器产生的光脉冲中初始啁啾是不可避免的。对于单个孤子来说,这种啁啾的影响在传输一定距离之后就会逐渐减弱。不过对于传输中的多个光孤子,由于啁啾产生的包络展宽会造成相邻的光孤子之间发生相互作用,并且这种作用会随着初始啁啾的加强而加强。在对通信条件要求较高的一般光孤子通信系统中,如果这种啁啾增强到一定程度,就会造成光孤子的崩塌,信号将无法传输。
由于色散管理孤子的“准孤子”的性质,使得啁啾产生的孤子相互作用的情况得到了抑制,如文献[6]的情况。虽然,在光孤子的展宽上似乎色散管理孤子存在劣势,但能够保持较稳定的传输,不会出现光孤子崩塌的现象。
3.3色散管理孤子和时间抖动
在光孤子系统中,由于光孤子在传输中具有良好的稳定性,可以用光放大器直接进行光纤损耗的补偿,而不必像传统的光纤通信一样需要使用大量的中继器,这样就可以节省下光电转换的时间和降低系统的成本。不过利用集总式光放大器补偿时,放大器使得光孤子的能量恢复到初始值的同时,也会产生自发辐射(ASE)的噪声。这种噪声场与孤子场相互作用的情况下,部分噪声会进入孤子,引起孤子频率的不规则的变化,形成抖动。由于光信号的速率和载频有关,这种噪声形成的抖动就会使得光孤子的群速率发生随机的变化,从而导致脉冲到达的时间出现随机变化。这种变化直接导致误码率的上升。
文献[7]中指出,色散管理系统可以比普通光孤子传输系统更好的抑制时间抖动,只要通过适当的减小路径色散,增大色散管理强度就可以实现较好的传输效果。
四、孤子的色散管理方案
文献[8][9][10]对三种对光孤子进行色散管理的方案进行了分析和总结。
1. 常规色散管理孤子系统(DMS)
常规的色散管理是用不同色散值的光纤进行组合,以达到降低光纤的平均色散的目的。一般来说,这种组合是正、负色散值光纤的周期性衔接。这样做的目的是能够把总的光纤色散值降低到接近零色散的水平,从而降低孤子产生时对非线性作用的要求。色散管理一般使用色散图来对光纤系统进行解释。图3.1为DMS的色散图。
从图中可以看出这种管理方式是以正负色散光纤对周期连接来对整个光纤的色散进行管理的。这是一种比较简单的管理方式。不少文献都对这种色散管理进行了分析,也是光纤色散管理的基础。文献[5]中指出,如果正负色散光纤采用对称式分布,即如图3.1所示的色散管理周期,可以得到更好的孤子传输性质。从计算机的模拟中可以得到这种管理方式的结果:光脉冲以色散管理周期为变化周期,在光纤内部周期性的展宽和压缩,从而形成稳定的传输。
2. 密集色散管理系统(DDMS)
DMS系统在传输速率较低的情况下表现良好,但是传输速率不高不能显示出光孤子传输系统在传输中的优势。不过,当信号传输达到一定的速度的时候,光孤子就会出现不稳定的情况,由于孤子之间的相互作用距离大大减小,在正色散光纤部分两个相邻的孤子就会相互影响,从而影响传输的效果。密集色散管理的改进之处在于在两个放大器之间增加多个色散管理周期,如图3.2:
密集色散管理的效果是孤子在刚刚展宽的时候就被压缩,这样就避免了孤子之间的相互作用的问题,得到可以稳定传输的系统。不过密集色散管理明显要使用更多的光纤接口,增加了光纤通信的成本。
3. 利用色散渐减光纤(DDF)的色散管理
色散渐减光纤是一种群速度色散会随着光纤长度逐渐减小的光纤。这种光纤设计的提出主要是针对的问题是光孤子在光纤中传播时,随着孤子能量的减小,非线性作用也会减弱。这种光纤在非线性作用减弱的同时,光纤的色散也在减小,两者可以保持在一种平衡的状态下,因此,光孤子就可以稳定的传输。这样就避免了利用两段不同色散光纤进行色散管理可能带来的一些问题。不过由于这种光纤的制造工艺复杂,并且需要重新铺设光纤线路,成本较高,不适合现在的通信需求。
五、总结
在光纤通信的发展中,光孤子由于其自身出色的传输性质得到人们的注意,同时又由于产生孤子时需要的严格的条件使人们不得不在传统光纤通信基础上寻找能够同时满足“产生孤子”和“简单的实现方法”两者的方法。色散管理的方法就是在这种情况下提出的。色散管理是在现有光纤系统的基础上进行改进,得到的一种新的传输方式。这种利用对光纤的色散进行管理以得到光孤子传输的方法,具有原本孤子传输中没有的优势,是未来通信系统发展的方向之一。
参考文献
[1]蔡炬,杨祥林.光孤子通信技术的现状与未来[J].半导体光电,2003,24(1):66-70.
[2]吴紫标.光纤中的光孤子[J].大学物理, 2000,19(3):39-42.
[3]梅琼,张江鑫.光孤子传输系统[J].半导体技术,2003,28(12):50-52.
[4]陈金鹰.光孤子通信技术分析[J].现代通信, 2003,1:5-6.
[5]王袆,孙宇翔,刁振辉.孤子能量增强对色散管理孤子系统性能的影响[J].现代传输,2008(2): 54-57.
[6]万鹏,汪仲清,安广雷.色散管理对初始啁啾孤子传输的影响[J].重庆邮电大学学报,2008,20 (1):86-89.
[7]贺传峰,戴居丰,杨恩泽,于晋龙.色散管理孤子中时间抖动性能的分析[J].光电子·激光,2005, 16(6):686-689.
[8]吴赟怡,邵钟浩.色散管理孤子系统的技术分析[J].电子元器件应用,2009,11(4):81-84.
[9]汪仲清,万鹏,段昌奎.色散位移光纤中孤子色散管理传输特性研究[J].半导体光电,2007,28 (4):548-552.
空间光孤子 篇4
光纤的非线性效应是使光脉冲信号产生压缩效应。非线性效应包括两部分, 一部分是散射效应, 另一部分是折射率效应。其中, 散射效应分为受激拉曼散射和受激布里渊散射, 折射率效应分为自相位调制、交叉相位调制和四波混合。非线性效应主要取决于光信号的传输距离和光纤的横截面积。虽然在光纤中的非线性效应非常弱, 但是由于强度的不断积累, 会对信号产生影响。光纤的色散效应和非线性效应二者各自影响光纤的传输性能, 但是当二者同时存在且在相互作用达到一种平衡时可以产生波形稳定的脉冲, 即光孤子。
1 光孤子通信研究的发展
光孤子通信从概念的提出到实际应用共经历了三个阶段:
1.1 概念提出阶段
1834年, 英国著名造船工程师罗素在河流中观察发现水孤波, 虽然当时未能成功证明, 但引起了极大的争论, 数学领域和物理领域逐渐开始了对孤子理论的研究;1895年, Korteweg和de Vries经过不断的理论推导, 导出了著名的KDV方程, 人们对孤子相关理论的研究进入了一个新的阶段;1973年, Hasegawa和Tappert等人经过充分论证之后提出了光孤子通信, 从此拉开了光孤子研究的序幕。
1.2 实验研究阶段
1980年, M ollenauer等人在试验中观察到了光孤子, 与理论分析相吻合。从此把光孤子的理论研究推向实验研究, 为光孤子的实验研究打下了坚实的基础;1981年, Hasegawa和Kodama提出运用光孤子进行信号传输的设想, 将光孤子通信的研究推向了新的高潮;1987年, Nakazawa和Iwatsuki等采用掺饵光纤放大器作为孤子能量补偿进行各种传输实验研究。
1.3 实用化阶段
近年来, 在理论不断完善的同时, 通过进行光孤子通信实验, 逐步向实用化阶段发展。日本、美国、英国、中国等相继进行了光孤子传输实验。从最初的2.5k Mb/s传输2223km到10k Mb/s传输9100km, 后期达到了32.4Gb/s传输12000km。其中, 美国Bell实验室还验证了利用光孤子进行跨洋通信的可能性。光孤子通信正在逐步走出实验室, 进行实用化的研究。
2 光孤子通信的优势
光孤子理论的不断发展为现代通信掀开了新的篇章, 对于实现大容量、长距离传输起到了里程碑的重要作用。现代光纤通信技术主要是以光纤的线性光学原理为基础进行通信, 面临的主要问题是如何进行大容量传输和延长中继距离。光孤子所具有的特点决定了它在通信领域里拥有非常宽广的应用前景。传统的光纤通信在线路中需要设置中继站, 对光脉冲进行补偿。光孤子通信可以不设置中继站, 而是仅需要对光纤损耗进行增益补偿, 即可把光信号无畸变地进行长距离的传输。
光孤子通信具有大容量、长距离传输等优点:
2.1 大容量
现阶段信号的传输速率最高可以达到100Gb/s, 一般情况下可以达到10~20Gb/s。普通光纤通信相比其他通信方式的优点之一是通信容量大, 光孤子通信比普通光纤通信又有了大幅提高, 具有非常明显的优势。
2.2 长距离
传输距离最远可以长达20000km, 使用掺饵光纤放大器可以直接对信号进行放大, 对光孤子损失的能量定点进行周期性补偿, 增加了光孤子的能量, 从而进行长距离传输。
3 光孤子通信的影响主要因素
3.1 光孤子之间的相互作用
1983年, Gordan发现光孤子之间的相互作用将会导致波形畸变、速率下降和距离缩短。随后引起了关注, 并开展了一系列的研究工作。由于光孤子之间的相互位置、相位、幅度等不同关系, 光孤子之间会产生相互作用。随着传输速率的不断增加, 脉冲频率不断提高, 相邻光孤子之间的距离减小, 当相邻光孤子比靠近超过某一极限时, 光孤子之间会发生相互作用, 影响光孤子通信的性能。到目前为止, 进行了大量的研究, 提出了很多方法, 现今条件下比较可行的是采用相邻孤子不等振幅的传输方法, 即在进入光纤时光孤子与光孤子之间的振幅有所差异。
3.2 光纤损耗
降低光纤损耗是光纤通信需要解决的一个非常重要的问题。光纤损耗分为本征损耗、制造损耗和附加损耗, 根据其产生机理分析可知, 光纤损耗是一定存在的, 只能尽可能减小损耗。光纤损耗会导致光孤子能量损失、幅度减小和脉宽展宽, 严重影响光孤子的传输性能。因此, 需要采用光放大技术在光纤传输系统中对损耗进行补偿, 进行光孤子增益补偿可以采用掺饵光纤放大器, 其具有增益高、功率大、频带宽、噪声低、泵浦功率低等优点。光纤传输线中接入掺铒光纤, 而泵浦功率通过光纤耦合器注入光纤, 掺铒光纤受到泵浦作用产生受激辐射, 放大工作频带的光信号。在国内外的实验中, 采用掺饵光纤放大器已经获得了成功, 并实现了稳定的传输。
4 结语
现阶段光孤子通信已经进入实用化研究阶段, 但由于一些限制因素还没有完全成熟。在各国家和地区的共同的共同努力下, 光孤子通信一定会以其他通信方式所无法相比的巨大优势成为主流的通信方式。
参考文献
[1]顾畹仪.光纤通信[M].北京:人民邮电出版社, 2006.
[2]J.S.Russell.British Association Reports.John Murray, London, 1984.
[3]D.J Korteweg, G.de Vries.On the change of form of long waves advancing in arectangular canal and on a new type of long stationary waves.Philosophical Maga-zine, 1895.
[4]Akira Hasegawa and Frederick Tappert.Transmission of stationary nonlinearoptical pulses in dispersive dielectric fibers.I.Anomalous dispersion, Appl.Phys.Lett.1973.
[5]L.F.Mollenauer, R.H.Stolen, and J.P.Gordon.Experimental Observation of Pi-cosecond Pulse Narrowing and Solitons in Optical Fibers, Phys.Rev.Lett.1980.
[6]A.Hasegawa and Y.Kodama.Amplification and reshaping of optical solitons in aglass fiber.Opt.lett., 1982.
[7]H.Hasegawa, Y.Kodama.Solitons in optical communication.Newyork:OxfordUniversity Press, 1996.
[8]J.P.Gordon.Interaction forces among solitons in optical fibers.Opt.Lett., 1983.
[9]P.L.Chu, C.Desem.Mutual interaction between solitons of unequal amplitudesin optical fiber.Electron.Lett, 1985.
空间光孤子 篇5
关键词：非线性光学,双光子光折变效应,空间灰孤子族
引 言
光折变空间光孤子是指当非线性介质的自聚焦(或自散焦)效应与光束的衍射发散作用相平衡时,在介质内无衍射向前传播的光束。从孤子的空间形态上可以将其分为亮空间孤子、暗空间孤子和灰空间孤子三类[1,2,3]。2003年Castro-Camus等人[4]提出了一个双光子光折变模型。此模型包含一个价带、一个导带和一个中间能级,启动光用来保持从价带激发到中间能级的电子数为一定值,然后由不同频率的孤子光将电子再次激发到导带;同时,由孤子光诱发的空间电荷场实现折射率的非线性改变。随后侯春风等人对基于双光子光折变效应的空间孤子率先进行了研究,证明了亮孤子、暗孤子、灰孤子、非相干耦合亮-亮、暗-暗及亮-暗双光子空间孤子对可以存在于双光子光折变介质中[5,6,7]。2009年,张光勇等人[8]预言了双光子屏蔽-光伏孤子的存在。2010年,我们小组[9,10,11]理论证明了非相干耦合亮-亮、暗-暗、亮-暗及灰-灰屏蔽-光伏孤子对的存在。本文基于有外加电场的双光子光折变晶体,证明了双光子屏蔽灰孤子族的存在性。双光子非相干耦合屏蔽灰孤子族可看成是双光子非相干耦合屏蔽灰孤子族和屏蔽暗孤子族的统一形式,当孤子灰度参量取零时,屏蔽灰孤子族自动退化成屏蔽暗孤子族。
1 基本理论
设M束只在x方向衍射且偏振态和波长都相同的共线传播的互不相干光沿z轴射入双光子光折变晶体,光束偏振方向平行于x轴,晶体光轴沿x方向放置;此外,晶体上还施加有与M束入射光波长不同的均匀启动光I1。沿晶体x方向加有外电场undefined。M束入射光的光场可以表示成慢变振幅形式,即undefined,其中k=k0ne=(2π/λ0)ne,λ0为自由空间波长,ne为晶体的非常光折射率。在上述光束配置下,M束光满足如下方程[12]:
undefined
其中r33为晶体的电光系数,空间电荷场Esc在忽略扩散效应的情况下可表示为[5]:
undefined
其中,I2=I2(x,z)为晶体内入射M束孤子光的总光强,I2∞=I2(x→∞,z),I2d=β2/s2为晶体的暗辐射,NA为受主密度,s1和s2是光电离截面,β1和β2分别是价带到中间能级和中间能级到导带的热激发速率;γ和γ1分别是导带到价带和中间能级到带复合率。根据Poynting定律,晶体中总光强可以表示为
undefined
其中常量η0=(μ0/ε0)1/2,ε0和μ0分别是真空介电常数和磁导率;采用无量纲变量ξ=z/(kxundefined),s=x/x0和Uj=(2η0I2d/ne)-1/2ϕj;其中x0为一个任意的空间宽度,可得到无量纲化光波振幅U1,U2,…,UM满足如下耦合方程:
undefined
其中β=(k0x0)2(ne4r33/2)E0,σ=γ1NA/β2,ρ=I2∞/I2d。
2 屏蔽灰孤子族解
参照文献[11,12]的处理方法,方程(4)孤子族的解可以表示为:
undefined
其中,Uj是第j级孤子分量的归一化包络,J是待定的实常数,这里y(s)是归一化振幅函数,满足|y(s)|≤1,满足的边界条件为y(s→±∞)=1,y2(0)=m,(0
将方程组(5)代入式(4)中可得到如下的微分方程:
undefined
积分方程(6)可得:
undefined
利用y(s)在s→∞的边界条件,可有:
undefined
利用y(s)在s=0的边界条件,可有:
undefined
从方程(8)和(9)可知:
undefined
选择β的数值和符号保证(10)式右边的结果大于零,可在晶体中形成双光子光折变空间灰孤子。对(7)式进一步积分可有:
其中:
undefined
通过方程(11)的数值分析,求出双光子屏蔽灰孤子解,再由(5)式可得出非相干耦合双光子屏蔽灰孤子族的各级孤子分量的无量纲的光场。
3 数值分析
为了说明我们的结果,选取如下晶体参量[5]: ne=2.2,r33=30×10-12 mV-1,E0=-2×106 V/m,λ0=0.5 μm,x0=10 μm。可计算出β=-11.1,另取η=1.5×10-4,σ=104。图1 给出了β=-11.1,ρ=10, m=0.5时双光子光折变晶体中屏蔽灰孤子族五个分量的强度包络。五个孤子分量的强度系数分别取cundefined=0.30,cundefined=0.25,cundefined=0.20, cundefined=0.15,cundefined=0.10。
需要指出的是,当灰孤子族只包含两个分量时(cundefined=0.70,cundefined=0.30),灰孤子族将退化成灰-灰孤子对,如图2所示。此外,数值模拟的结果还表明:当孤子的灰度参量取零即m=0时,灰孤子族、灰-灰孤子对将自动退化成相应的暗孤子族和暗-暗孤子对。
4 结 论
本文理论证明了在有外加电场的双光子光折变介质中存在屏蔽灰孤子族。当孤子的灰度参量取零时,双光子屏蔽灰孤子族可以退还成双光子屏蔽暗孤子族;当孤子族只含有两个孤子分量时,孤子族可以退化成孤子对。也就说,本文灰孤子族的理论,可以看成是灰孤子族、对和暗孤子族、对的统一理论。
参考文献
[1]Christodoulides D N,Carvalho M I.Bright,dark and greyspatial soliton states in photorefractive media[J].J Opt SocAm B,1995,12(9):1628-1633.
[2]Segev M,Valley G C,Bashaw M C,et al.Photovoltaicspatial solitons[J].J Opt So Am B,1997,14(7):1772-1781.
[3]张光勇,刘劲松.闭路光伏暗空间孤子的自偏转特性研究[J].光学学报,2006,26(10):1559-1561.
[4]Castro-Camus E,Magana L F.Prediction of the physicalresponse for the two-photon photorefractive effect[J].OptLett,2003,28(13),1129-1131.
[5]Hou C F,Pei Y B,Zhou Z X,et al.Spatial solitons in two-photon photorefractive media[J].Phys Rev A,2005,71(5):053817(6).
[6]Hou C F,Zhang Y,Jiang Y Y,et al.Photovoltaic solitons intwo-photon photorefractive materials under open-circuitconditions[J].Opt Commun,2007,273(6):544-548.
[7]张宇,侯春风,孙秀冬.双光子光折变介质中的非相干耦合空间孤子对[J].物理学报,2007,56(6):3261-3265.
[8]Zhang G Y,Liu J S.Screening-photovoltaic spatial solitons inbiased two-photon photovoltaic photorefractive crystals[J].JOpt Soc Am B,2009,26(1):113-120.
[9]吉选芒,姜其畅,刘劲松.双光子光折变介质中非相干耦合屏蔽光伏孤子对[J].激光技术,2010,34(2):202-204.
[10]吉选芒,姜其畅,刘劲松.双光子光折变介质中非相干耦合亮-暗屏蔽光伏孤子对[J].应用光学,2009,30(4):580-584.
[11]Su Y L,Jiang Q C,Ji X M.Incoherently coupled grey-greyspatial soliton pairs in biased two-photon photovoltaicphotorefractive crystals[J].Commun Theor Phys,2010,53(5):943-946