光孤子的研究进展

蒋一辉，郭庆林，王 颖，张素恒，李 旭

(河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002)

近40来，光孤子理论及其应用得到了迅速发展，至今它依旧是非线性光学领域中的研究热点之一。1834年，英国科学家观察到孤子现象。在许多物理学家中间引起广泛争论的是Russell当时在运河里发现的孤立波不能被线性流体力学所解释。1895年，荷兰科学家Korteweg和De Vries［1］对此进行了进一步研究，提出了著名的KdV方程并导出了方程的孤立波解，解释了Russell发现的浅水波现象。美国科学家Zabusky和Kruskal［2］在1965年研究了等离子体中孤立波的相互作用过程的数值模拟，发现孤立波在相互作用过程中保持动量和能量守恒。因为发现的该种孤立波具有类似于粒子的行为，因此，被命名为“孤立子”，简称孤子。孤子的这种特殊性质逐渐在光学中得到广泛的应用，从此光孤子的研究也越来越为人们所关注。

1 光孤子的分类

根据依赖时域和空域的不同可以将光孤子分为2类:1)在时域中利用非线性自相位调制平衡光的色散效应形成的时间光孤子，表现为光脉冲在传输过程中保持形状不变;2)在空域中通过自聚焦或自散焦效应平衡衍射效应得到的空间光孤子，表现为与传播方向正交的横向光束保持不扩散。1973年，孤立波的观点引入到了光纤传输中，Hasegawa和Tappert首次提出光孤子的概念，他们预言光脉冲可以在光纤中无色散的传播的前提是非线性自相位调制效应能够平衡光的色散效应，这样得到的光脉冲的脉冲宽度沿时间轴传播保持不变，因而被称为时间光孤子。1980年，Mollenauer等［3］在贝尔实验室观察到了光纤中的时间光孤子的演变过程。凭借人们在这方向多年的努力研究，时间光孤子已经比较成熟并应用在光孤子通信领域。与时间光孤子对应的空间光孤子存在于Kerr或类Kerr介质，后来人们才注意到光折变介质中利用自聚焦或自散焦效应来平衡光束的衍射效应来形成的空间光孤子。1992年M.Segev等［4］从理论上分析当在光折变材料上加电场出现光束自陷，预言加一定外电场时能形成空间光孤子，1993年G.C.Duree等［5-6］人用实验方法验证空间光孤子的存在后，屏蔽孤子、光伏孤子等相继出现。光折变空间光孤子以其波导写入存储时间长、功率低等特点被研究应用于集成光学元件之间的连接和光信息储存处理［7-8］。

2 光孤子的研究进展

2.1 时间光孤子的研究进展

时间光孤子［9］概念自1973年产生后，掀起了孤子通信的研究热潮。直到1980年观察到光纤中光孤子的形成和变化，初步完备了光纤孤子的实验和理论研究。1981年，Hasegawa与Kodama提出在光纤通信中使用光孤子作为信息载体，正式揭开光孤子通信的序幕，其中光孤子源是关键部件，锁模色心激光器、锁模半导体激光器曾被用作孤子光源。接着，为了维持孤子长距离的传输又提出利用拉曼散射放大器补偿光纤损耗的方法，1989年Nokazawa［10］利用掺铒光纤放大器取代了拉曼光纤放大器作放大以补偿光纤能量损失，实现了光孤子长距离的传输。而现在比较流行的光孤子源是锁模外腔半导体激光器和增益开关分布反馈半导体激光器，其中锁模外腔半导体激光器产生的脉冲波形较好且频率啁啾成分较低，但结构复杂、稳定性差，而增益开关分布反馈半导体激光器结合去啁啾技术，结构简单，尽管啁啾不完全，但只要频率啁啾足够小，光脉冲就可以在光纤中演变成孤子，所以它普遍为人们所用。

20世纪90年代，随着可以消除群速度色散对光纤通信速度限制的色散位移光纤和结构简单可以较高频率重复的半导体孤子激光器的出现，光孤子通信技术日趋完善，进入实用化阶段。作为非线性光纤通信系统的光孤子通信与现有的线性通信不同，其优势主要显示于高码率通信系统中，因而成为首选通信方式被实际应用于长距离超高速跨海洋光纤通信系统和大容量的城市通信网建设中。1995年以来，各国实验室都开始积极探索改进光纤并实际应用于光孤子通信领域。美国的贝尔实验室进行了不同距离传输实验，其中最长达到15 000 km，证实了光孤子用于海底光通信的可能性。1995年，日本的NTT公司实现了以10 Gbit/s的速度传输了2 000 km及20 Gbit/s的速度传输1 000 km的光纤通信。1996年，美国和日本合作建设的新越洋海底光缆，其传输能力达到了100 Gbit/s，而且传输距离在10 000 km以上。

21世纪以来，通过采用了色散管理孤子系统、拉曼放大器、动态增益均衡等新技术，实现了超大容量和超长距离的传输。2002年，德国采用拉曼放大器放大信号并结合密集波分复用技术的全光网络光孤子系统，实现了长距离多信道传输。欧洲环网孤子传输高速通道开发计划和欧盟先进通信技术与设施计划极大地发展通信系统和设施，提高传输速率。2008年西门子利用聚合光纤实现了1Gbit/s的传输速度，为连接电脑和高清晰电视的家庭网络等技术提供了可能。在2011年OFC/NFOEC会议上，日本研发的一种7芯光纤传输速度高达109 Tbit/s，传输距离达16.8 km。2012年Verizon和NEC公司在单模光纤上所传输的数据速度达到了21.7 Tbit/s，这种新的传输技术最大限度地提高了信号性能，而原有的光纤网络基础设施不需要任何变化。目前我国光孤子通信凭借超高速、大容量、超长距离、误码率低、抗噪声能力强的优势，被公认为最有发展前景的传输方式之一。光纤中的时间光孤子除了在光纤通信方面有重大成就外，还在超短光脉冲的产生和控制、光脉冲压缩、光纤光栅［11］等方面的研究上也取得了突破性进展。

2.2 空间光孤子的研究进展

1964年，M.Hercher发现了强激光通过非线性系数足够大的介质时有自聚焦现象，随后R.Chiao等［12］从理论上用具体的非线性薛定谔方程解释了这一现象。由于当时无法解析由Kerr介质带来的不可积分方程，而且人们对时间光孤子的关注又相对过多，从而导致对空间光孤子的研究停滞。直到人们从具有饱和特性的光折变晶体中观察到了准稳态光折变空间光孤子，空间光孤子的研究工作才得以开展。1992年，M.Segev和B.Crosignani等人最早从理论上分析了当在光折变材料上加电场会出现光束自陷，而当光束自陷达到一定条件时会出现光折变光孤子。1993年，G.C.Duree等［13］首次在掺杂的SBN晶体中观察到不稳定的自陷效应，即瞬态的准稳态光折变空间光孤子。1994年，M.Segev等人从理论上预言了一种新的光折变空间孤子——屏蔽孤子。同年，Valley等推导出了光束在光伏光折变介质中的传播方程，预言了光伏孤子的存在。Taya等［14］在1995年观察到暗孤子并于1996年利用暗孤子实现了联结。1998年，刘劲松、卢克清等［15］从理论上证明了在光伏光折变晶体上加适当电压能够得到同时具有光伏孤子和屏蔽孤子性质的屏蔽光伏孤子。1999年，佘卫龙等人在掺铜的钾钠铌酸锶钡晶体中观察到了亮光伏孤子，并利用背景光引入等效电场来解释所观察到的亮光伏孤子的特性。2000年，刘劲松等［16］在理论上用数值模拟的方法研究了屏蔽光伏的自偏转特性及其稳定性。2004年，E.Fazio等［17］首次在LiNbO3晶体中观察到了屏蔽光伏孤子。短短十几年，准稳态孤子、屏蔽孤子、光伏孤子和屏蔽光伏孤子相继被推导证明并被观察到。其后人们就光折变光孤子需要低功率的光强，可以在2个尺度内维持稳定，储存时间长，容易被诱导控制等特点对空间光孤子相互作用［18］、两波耦合［19-21］、信息存储和处理等进行了深入的研究。近年来光折变空间孤子开始针对双光子过程，这主要在于价带和导带之间有用来储存大量激发态电子的一个中间能级，通过2次光激发从价带到达导带。2007年，基于双光子光折变效应的屏蔽孤子、光伏孤子被侯春风等［22］从理论上证明了存在性，2009年，张光勇等［23］研究了基于双光子效应的屏蔽光伏孤子的存在。

3 光孤子的发展前景

时间光孤子应用在光纤光孤子通信领域的前景巨大，在传输速度方面采用色散管理孤子超长距离的高速传输，使用波分复用技术、超短脉冲控制技术使速率提升到Tbit/s以上，在超长距离、超高速、大容量全光通信中，尤其在海底光纤通信系统中有着很大的发展前景。根据空间光折变光孤子的特性主要是研究单光子光折变材料和光器件，例如:利用独立空间孤子对间的非对称影响原理做成单向光耦合器件;通过控制屏蔽光伏孤子的亮暗孤子之间的转换特性做成光开关。光孤子在光控器件、集成光学的开发和光通信传输领域的研究，是将来实现光通信和存储应用的重要基础。但是还需进一步改善技术，减少或抑制多孤子间的相互作用影响，同时应使其传输过程中主要部件实用化、商业化。因此，对光孤子的研究值得进一步深入开展。

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