序 言
社会的发展导致人们的生活与信息密不可分，人们对信息的需求使得现在的技术无法满足这种需求，这种现象近几年特别明显。带宽已经不能满足人们对信息快速化的要求，就在这个时期，光纤通信系统出现了，它迅速发展成为新型全光通信技术，它主要依靠速度快、距离远、容量大、保密性能强等优点成为了近些年来人们研究的话题。针对当今现状,以线性系统作为理论根本的线性光学，这种光学系统已经被实用化。光孤子通信逐渐走进人们的视线，人们渐渐的发现光纤中存在着损耗和色散，然而这两个却是限制高速数字脉冲传输距离的最主要因素。在应用方面光孤子这种通信方式潜力很大，具有很高的可操作性。但是在这种系统的选择方面，必须走制造价格低廉，性能稳定可靠，存储量大，在距离和速度方面必须快且长。通常情况下，只有降低或克服色散和损耗等因素对传输距离等的限制才能从根本上提高通信系统容量，彻彻底底地解决掉传统光纤通信中出现的问题。人们看好光纤孤子通信系统的原因有两个：第一, 光孤子通信远离了电子中继器时代，光孤子的全光通信除了可以实现高速远距离传输之外,还可以降低色散影响,对于增大带宽,提高通信系统的传输容量,解决传统光纤通信的低速问题等方面有重大的作用。第二，全光通信可以在某些特殊环境下工作，使应用领域更加广泛，另外非线性效应补偿了光纤的色散效应而使得其处于平衡状态,产生了光孤子。提出这种概念之后的几年，人们对其进行多年的发展研究，目前对于光孤子通信系统的研究成果已经是非常令人满意的，其在各个方面的优点,具有在一定条件下加快通信技术的更新，使得其更快的适用于商业用途，并起到无可替代的作用。对于已经做到了全光通信的光纤类系统，其构成的基础就是光孤子这种技术。在工作中，不需要光和电的相互转换，并且对于长距离、大容量的传输信息具有重大的作用。
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光孤子传输特性的分析
一、光孤子概述 1. 光孤子
soliton是“弧子”的英文单词。19世纪，它偶然的被一个负责海军项目的英国工程师发现。当时在船上的他发现，船舶在河流中航行的过程中，会产生一种形状特殊且保持不变的水波，将之称为孤波（solitorywave）。弧波由于具有很大的研究价值引来无数从事数学和物理方面研究的人员的注意，掀开了对其研究长达一个世纪的序幕。Kortweg 和 DeVries等在后期对其进行推导，演算最后发现了KdV 方程，这是一个关于弧子解的著名方程。它对以潜水问题为代表的波动问题进行具体描述，解释了其存在的普遍性。Hasegawa（日本）在20世纪末惊奇的发现弧子可以从光纤中产生。随后几年间，他又惊奇的发现弧子具有承载传递信息的特性，于是本文的通信方式就诞生了，即此方案也被称为光孤子通信， 并坦言在21世纪初叶基本可以看到实例化了的光孤子通信，至此光纤孤子应用才彻底走进人们的视线。光纤孤子是由非线性效应与光纤色散相互作用而产生的产物，可以用非线性薛定谔方程（NLSE）来完全描述出来，光纤孤子受到光纤非线性效应支配的同时也受到线性效应对其的支配。在传输的整个过程，光纤具有群速色散的特性（GVD），和指数型的脉冲展宽造成其发生脉冲展宽。然而脉冲幅度的衰减（按指数形式衰减）则是由光纤损耗造成的，光纤中存在的非线性效应使得脉冲发生压缩。它的产生形式密切相关于色散和非线性，这两种效应的动态平衡是其产生的根本。
2. 光孤子的产生机理
2.1 光纤中的线性特性 2.1.1 光纤损耗
光纤损耗是用来描述在光纤中传输的光信号，在传输过程中由于光纤材料受到强烈的辐射或者光纤材料处于高热能的状态下，光纤材料会因受到刺激而产生缺陷，严重时会导致光的能量被吸收，使得光信号出现损耗。其本征损耗值：?1?由光纤材料的线性折射率n0???来决定的，?与n0???的关系可表示为
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?0cIm?n0?是
??8.69? ?dB/km? （1.1） 光纤材料中的杂质通常是元素金属表中的Co2?、Fe2?、Cu2?等过渡金属和氢氧根离子OH?，在光纤发展的早期阶段，为了实现光纤的低损耗传输，这些杂质是必须除掉的。随着时间的推移，技术的更新，对于过渡金属离子含量的降低已经达到令人满意的效果，其对传输的影响几乎可以忽略不计。然而对于氢氧根离子OH?的处理还不是很令人满意，OH?的吸收峰一般出现在0.95μm、1.24μm和1.39μm波长，在种类众多的吸收峰中，对其产生影响最显著的是1.39μm这种。目前的技术可以使
OH?的含量降到10?9以下，就是1.39μm吸收峰，其对产生的损耗也已经降低到0.5
dB/km以下了。就现在光纤而言，α的数值最小的是1.55 μm 的小波。它具有低损耗的优点。当波长大于2μm时，这样的区域称为远红外区，是光纤的高吸收带区，在这样的情况下不利于信号传输；光纤材料中对于OH?粒子的吸收导致了在 1.4μm 处出现了损耗峰，这样的情况也是不利于信号传输的。
散射损耗是由瑞丽散射与结构缺陷散射产生的，通常情况下，瑞丽散射是由材料密度不均匀造成的，而结构缺陷散射则是由光纤自身的结构缺陷产生的。上述两种散射产生的损耗，有一个是与波长没有关系的，那就是结构缺陷散射产生的损耗。而对于瑞丽散射而言，它是由于材料密度不均匀，导致折射率不相同，使进入光纤的光向任意方向散射造成的，其值的大小随波长?的四次方变化的，其本征值损耗的值可通过下面的方程式来进行估算：
?R?C/?4 [dB/km] （1.2）
式中，常数C在0.4-0.5 dB/（km·μm4）范围内，常数C随着纤芯成分的改变而改变。
2.1.2 光纤中的色散
在光纤中，传输的光信号会产生材料、波导、模式三种不同的物理现象，我们称其为色散（Dispersion）。①
模式色散只会在多模光纤中才会产生。其特点是，光的模式不同就会造成传输时
①
引自光纤通信第二版
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间的差异，即传输到终端的时间产生差异造成脉冲展宽，这是这种色散产生的原理。光纤的折射率的不同分布和波长的大小是这种现象产生的本质原因。
波长与折射率是密切相关的，一个发生变化另一个必然会受到影响。传送在光纤中的信号，其到达时间就会不同，于是关于材料的色散现象就产生了。具有不同的波长性质的材料和谱线密度存在差异的光源都是产生这种现象的本质原因。
众所周知，在光纤中是存在光波导的，正是由于光波导的存在，才引发了光信号的波导色散。折射率在纤芯和包层处会产生不同的差异，即存在一个很小的差值。这个差值会在全反射的传输过程中造成光的部分泄露。这部分光会进入包层，在传输一段时间后会再一次进入光纤中。在光纤中的光，其强度和其波长是有密切关系的，它们的大小彼此互相影响，这就造成在传输的过程中路径的大小不同，最终的结果是花费不同的时间进入终点，就产生展宽色散。
其中，光波所处电场、不同的介质材料具有不同的束缚电子的能力，这是材料色散的真正原因，它们相互影响。塞尔迈耶尔方程可以近似的估算线性折射率n0???
n0????1??j?1nBj?2j???2j2 （1.3）
上式中?j为谐振频率，Bj（j=1,2,···，n）为强度，它们的值是由拟合实验测出的色散曲线来计算的。光波的频率不同必然造成不同的传播速度c/n0，就会产生色散，进而脉冲展宽现象就产生了，最终限制了通信的容量。 2.2 光纤的非线性特性
在强电磁场作用下，无论你的介质是什么，强电磁场都会使它具有非线性，光纤也不例外。光纤的非线性特性可以对光纤传输信号产生很大的影响,目前已经在很多方面利用上了光纤的非线性特性，已经变成了光学中重要的一个知识一非线性光学。光纤中存在电偶极子，它的极化强度密切相关于非线性和光场强度等因素，这种非线性是一种多方面的效应。其中Raman散射、自相位调制与Kerr效应对光孤子的形成和传输演化有着不能忽视的重要影响。
在光场作用下，下面的式子可以表示出光纤介质中存在的电极化强度P
p??0[y(1)?E?y(2):E????] （1.4）
?0指的是在真空中该现象的介电常数，y(j)(j?1,2,3,???)代表的是第j阶存在的电
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极化率，同时它又是第j+1阶存在的决定n0(?)与?的大小的张量。y?2?能产生和频参放与二次谐波，然而，在分子结构对称的光纤中y?2?=0。因此， 在光场存在非线性变化时，折射率也会相应变化是y?3?的作用。
n(?,E)?n0????n2???E （1.5）
22式中，E为光场中的有效值；
2n2 为Kerr系数：n2?3(3)yxxx 8n光强存在完全依赖于折射率，这种关系造成光场的相移现象，这种现象存在于传输过程，其值为：
??(n0?n2E)k0L （1.6）
式中k0?222??；L为光纤长度。SPM与光场本身存在一定的相关性，其大小为
?n1?n2k0LE。
3. 光纤中光波的包络方程
在光纤中，关于光波参量的包络方程是如何获得的，使用快变与慢变相乘就可以使得光场E的方程被改写
E?ReE （1.7） {(Z,t)expi([m1Z??1t)]}式中Re{}代表实部；m1表示传输常数，?1指的是角频率；E(Z,t)代表光场慢变部分的包络函数，并且该函数在???1处有频谱结构，频谱宽度为??。
为对不同频率下的?1进行分析，获得它的（包络边带内）的传播特性，在???1处将m进行展开
?m m?m1???1?2m?1(???1)?2??21?3m?1(???1)?6??32?1?(???1)3???? （1.8）
其中m?n?；包络函数E(z,t)是关于z与t的慢变函数，使用??(????1)和c?m(?m?m1)对E(z,t)达到傅氏变换的目的，得
E(?m,??)??
????????E(z,t)exp[i(??t??mz)]dzdt （1.9）
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光弧子论文.
