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光学空间孤子陆庭一、光孤子和空间孤子；二、非线性薛定谔方程；三、光孤子通信系统。孤子的发现发现孤子现象源于1834年．英国海军工程师ScottRussell注意到，在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，当船突然停下来时，就会在船头形成一个孤立的水波迅速离开船头。并以l4～15km／h的速度前进，而波的形状、幅度维持不变，前进了2～3km才消失，这就是著名的孤立波现象。孤立波是一特殊形态的波，仅有一个波峰，可以在很长的传输距离内保持波形不变。但直到1964年，人们才从孤立波现象中得到启发，引入了“孤子”概念。孤子概念的引入因为孤立波具有非常独特的稳定性，两孤立波相遇之后，原有的波形保持不变，人们称其为具有类似于物质粒子之间的碰撞特性，或称之为孤立波碰撞。为了强调这种碰撞特性，将具有碰撞特性的孤立波称为“孤立子”或称“孤子”波在传播中往往存在色散现象，色散主要由材料的性质决定。一个线性波动由于在介质中传播时存在色散，所以该波动是不稳定的。只有当在波动中存在非线性会聚时，如果色散和会聚两种作用出现某种平衡，才会出现波形稳定的孤立波。波动中的会聚效应由于底部受到阻滞力，不同高度前进速度不同水波在行进中逐渐变陡，最终波形出现坍塌vt=0t0t01973年，长谷川（A.Hasegawa）和塔拥尔托（F.Tappert）两人利用非线性薛定谔方程，首次从理论上导出在光纤的反常色散区能够形成光学孤立子或称孤子，并为光学孤子波通信建立了理论基础。与kdv方程描述的孤立子相似，由非线性薛定谔方程描述的光纤中的光学孤立子是光波在传播过程中色散效应与非线性压缩效应相平衡的结果非线性薛定谔方程与光学孤立子利用波动方程也色散关系之间的对应关系：略去单色光表达式：中包函数上的横线，立即可以得出强满足的方程:第（3）式即为非线性薛定谔方程（NLSE）再利用：和相位速：就有：式中：全光型孤立子通信低强度光脉冲在光线中传播，不可避免地产生色散，从而造成光脉冲的加宽与变形，大大影响光通信传播的质量与距离然而，如果利用孤立波进行通信，由于孤立波脉冲在传播中能保持稳定不变的能量和波形，因此可实现无中继站的远距离通信。光孤子是理想的光脉冲，其脉冲宽度很窄在飞秒至皮秒级（即s）。这样。邻近的光脉冲间隔很小，不至于发生脉冲重叠。产生干扰。光孤子通信的传输容量极大，可以说是几乎没有限制。传输速率也很高，可达每秒兆比特，如此的高速意味着只需100S就可以将世界上最大的图书馆——美国国会图书馆的所有藏书全部传送完毕光孤子通信的基本原理虽然孤立子可以在传播中保持稳定的能量和波形，但在光线中传输时一点能量都没有损失是不可能的。例如，光纤的任何一点微小缺陷都可能造成能量损失这些损耗虽然不改变孤子形状。但却降低了孤子的脉冲幅度。导致脉冲最终失去孤子的特性。这就是说，光学孤立子的远距离传送中要解决能量损失的补充问题补偿孤子能量的方法：目前，补偿孤子能量的方法有2种：1．采用分布式光放大器法，即采用受激喇曼散射放大器或分布放大是指光孤子在沿整个光纤的传输过程中得以放大．此法通过向光纤注入泵浦光产生喇曼效应．以获得的喇曼增益抵消光纤的损耗；2．集总光放大器法。即采用掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体激光放大器。集总光孤子放大是将光放大器周期性地插入光纤光路中，通过调整其增益来补偿2个光放大器之间的光纤损耗，从而使光纤非线性效应所产生的脉冲压缩恰好能补偿光纤群色散所带来的影响。分布式掺铒光纤放大器。4光孤子通信的发展前景孤子脉冲的特殊性质决定了它应用在通信领域的优越性。与线性光纤通信比较，光孤子通信具有一系列显著的优点：1．容量大；2．误码率低、抗干扰能力强；3．可以不用中继站：4．可以工作于高温状态，制成特殊的传感器；5．可以进行波分复用和偏振复用，提高码速。参考文献：【1】陆同兴、张李谦《非线性物理概论》第二版【J】孤立波，2010，2【2】郭硕鸿《电动力学》第三版【J】光学空间孤子，2011，5【3】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)：