光孤子的研究進(jìn)展

蔣一輝，郭慶林，王 穎，張素恒，李 旭

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

近40來，光孤子理論及其應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，至今它依舊是非線性光學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。1834年，英國科學(xué)家觀察到孤子現(xiàn)象。在許多物理學(xué)家中間引起廣泛爭論的是Russell當(dāng)時(shí)在運(yùn)河里發(fā)現(xiàn)的孤立波不能被線性流體力學(xué)所解釋。1895年，荷蘭科學(xué)家Korteweg和De Vries［1］對此進(jìn)行了進(jìn)一步研究，提出了著名的KdV方程并導(dǎo)出了方程的孤立波解，解釋了Russell發(fā)現(xiàn)的淺水波現(xiàn)象。美國科學(xué)家Zabusky和Kruskal［2］在1965年研究了等離子體中孤立波的相互作用過程的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)孤立波在相互作用過程中保持動量和能量守恒。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)的該種孤立波具有類似于粒子的行為，因此，被命名為“孤立子”，簡稱孤子。孤子的這種特殊性質(zhì)逐漸在光學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用，從此光孤子的研究也越來越為人們所關(guān)注。

1 光孤子的分類

根據(jù)依賴時(shí)域和空域的不同可以將光孤子分為2類:1)在時(shí)域中利用非線性自相位調(diào)制平衡光的色散效應(yīng)形成的時(shí)間光孤子，表現(xiàn)為光脈沖在傳輸過程中保持形狀不變;2)在空域中通過自聚焦或自散焦效應(yīng)平衡衍射效應(yīng)得到的空間光孤子，表現(xiàn)為與傳播方向正交的橫向光束保持不擴(kuò)散。1973年，孤立波的觀點(diǎn)引入到了光纖傳輸中，Hasegawa和Tappert首次提出光孤子的概念，他們預(yù)言光脈沖可以在光纖中無色散的傳播的前提是非線性自相位調(diào)制效應(yīng)能夠平衡光的色散效應(yīng)，這樣得到的光脈沖的脈沖寬度沿時(shí)間軸傳播保持不變，因而被稱為時(shí)間光孤子。1980年，Mollenauer等［3］在貝爾實(shí)驗(yàn)室觀察到了光纖中的時(shí)間光孤子的演變過程。憑借人們在這方向多年的努力研究，時(shí)間光孤子已經(jīng)比較成熟并應(yīng)用在光孤子通信領(lǐng)域。與時(shí)間光孤子對應(yīng)的空間光孤子存在于Kerr或類Kerr介質(zhì)，后來人們才注意到光折變介質(zhì)中利用自聚焦或自散焦效應(yīng)來平衡光束的衍射效應(yīng)來形成的空間光孤子。1992年M.Segev等［4］從理論上分析當(dāng)在光折變材料上加電場出現(xiàn)光束自陷，預(yù)言加一定外電場時(shí)能形成空間光孤子，1993年G.C.Duree等［5-6］人用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證空間光孤子的存在后，屏蔽孤子、光伏孤子等相繼出現(xiàn)。光折變空間光孤子以其波導(dǎo)寫入存儲時(shí)間長、功率低等特點(diǎn)被研究應(yīng)用于集成光學(xué)元件之間的連接和光信息儲存處理［7-8］。

2 光孤子的研究進(jìn)展

2.1 時(shí)間光孤子的研究進(jìn)展

時(shí)間光孤子［9］概念自1973年產(chǎn)生后，掀起了孤子通信的研究熱潮。直到1980年觀察到光纖中光孤子的形成和變化，初步完備了光纖孤子的實(shí)驗(yàn)和理論研究。1981年，Hasegawa與Kodama提出在光纖通信中使用光孤子作為信息載體，正式揭開光孤子通信的序幕，其中光孤子源是關(guān)鍵部件，鎖模色心激光器、鎖模半導(dǎo)體激光器曾被用作孤子光源。接著，為了維持孤子長距離的傳輸又提出利用拉曼散射放大器補(bǔ)償光纖損耗的方法，1989年Nokazawa［10］利用摻鉺光纖放大器取代了拉曼光纖放大器作放大以補(bǔ)償光纖能量損失，實(shí)現(xiàn)了光孤子長距離的傳輸。而現(xiàn)在比較流行的光孤子源是鎖模外腔半導(dǎo)體激光器和增益開關(guān)分布反饋半導(dǎo)體激光器，其中鎖模外腔半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的脈沖波形較好且頻率啁啾成分較低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，而增益開關(guān)分布反饋半導(dǎo)體激光器結(jié)合去啁啾技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，盡管啁啾不完全，但只要頻率啁啾足夠小，光脈沖就可以在光纖中演變成孤子，所以它普遍為人們所用。

20世紀(jì)90年代，隨著可以消除群速度色散對光纖通信速度限制的色散位移光纖和結(jié)構(gòu)簡單可以較高頻率重復(fù)的半導(dǎo)體孤子激光器的出現(xiàn)，光孤子通信技術(shù)日趨完善，進(jìn)入實(shí)用化階段。作為非線性光纖通信系統(tǒng)的光孤子通信與現(xiàn)有的線性通信不同，其優(yōu)勢主要顯示于高碼率通信系統(tǒng)中，因而成為首選通信方式被實(shí)際應(yīng)用于長距離超高速跨海洋光纖通信系統(tǒng)和大容量的城市通信網(wǎng)建設(shè)中。1995年以來，各國實(shí)驗(yàn)室都開始積極探索改進(jìn)光纖并實(shí)際應(yīng)用于光孤子通信領(lǐng)域。美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不同距離傳輸實(shí)驗(yàn)，其中最長達(dá)到15 000 km，證實(shí)了光孤子用于海底光通信的可能性。1995年，日本的NTT公司實(shí)現(xiàn)了以10 Gbit/s的速度傳輸了2 000 km及20 Gbit/s的速度傳輸1 000 km的光纖通信。1996年，美國和日本合作建設(shè)的新越洋海底光纜，其傳輸能力達(dá)到了100 Gbit/s，而且傳輸距離在10 000 km以上。

21世紀(jì)以來，通過采用了色散管理孤子系統(tǒng)、拉曼放大器、動態(tài)增益均衡等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超大容量和超長距離的傳輸。2002年，德國采用拉曼放大器放大信號并結(jié)合密集波分復(fù)用技術(shù)的全光網(wǎng)絡(luò)光孤子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了長距離多信道傳輸。歐洲環(huán)網(wǎng)孤子傳輸高速通道開發(fā)計(jì)劃和歐盟先進(jìn)通信技術(shù)與設(shè)施計(jì)劃極大地發(fā)展通信系統(tǒng)和設(shè)施，提高傳輸速率。2008年西門子利用聚合光纖實(shí)現(xiàn)了1Gbit/s的傳輸速度，為連接電腦和高清晰電視的家庭網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)提供了可能。在2011年OFC/NFOEC會議上，日本研發(fā)的一種7芯光纖傳輸速度高達(dá)109 Tbit/s，傳輸距離達(dá)16.8 km。2012年Verizon和NEC公司在單模光纖上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速度達(dá)到了21.7 Tbit/s，這種新的傳輸技術(shù)最大限度地提高了信號性能，而原有的光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不需要任何變化。目前我國光孤子通信憑借超高速、大容量、超長距離、誤碼率低、抗噪聲能力強(qiáng)的優(yōu)勢，被公認(rèn)為最有發(fā)展前景的傳輸方式之一。光纖中的時(shí)間光孤子除了在光纖通信方面有重大成就外，還在超短光脈沖的產(chǎn)生和控制、光脈沖壓縮、光纖光柵［11］等方面的研究上也取得了突破性進(jìn)展。

2.2 空間光孤子的研究進(jìn)展

1964年，M.Hercher發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)激光通過非線性系數(shù)足夠大的介質(zhì)時(shí)有自聚焦現(xiàn)象，隨后R.Chiao等［12］從理論上用具體的非線性薛定諤方程解釋了這一現(xiàn)象。由于當(dāng)時(shí)無法解析由Kerr介質(zhì)帶來的不可積分方程，而且人們對時(shí)間光孤子的關(guān)注又相對過多，從而導(dǎo)致對空間光孤子的研究停滯。直到人們從具有飽和特性的光折變晶體中觀察到了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光折變空間光孤子，空間光孤子的研究工作才得以開展。1992年，M.Segev和B.Crosignani等人最早從理論上分析了當(dāng)在光折變材料上加電場會出現(xiàn)光束自陷，而當(dāng)光束自陷達(dá)到一定條件時(shí)會出現(xiàn)光折變光孤子。1993年，G.C.Duree等［13］首次在摻雜的SBN晶體中觀察到不穩(wěn)定的自陷效應(yīng)，即瞬態(tài)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光折變空間光孤子。1994年，M.Segev等人從理論上預(yù)言了一種新的光折變空間孤子——屏蔽孤子。同年，Valley等推導(dǎo)出了光束在光伏光折變介質(zhì)中的傳播方程，預(yù)言了光伏孤子的存在。Taya等［14］在1995年觀察到暗孤子并于1996年利用暗孤子實(shí)現(xiàn)了聯(lián)結(jié)。1998年，劉勁松、盧克清等［15］從理論上證明了在光伏光折變晶體上加適當(dāng)電壓能夠得到同時(shí)具有光伏孤子和屏蔽孤子性質(zhì)的屏蔽光伏孤子。1999年，佘衛(wèi)龍等人在摻銅的鉀鈉鈮酸鍶鋇晶體中觀察到了亮光伏孤子，并利用背景光引入等效電場來解釋所觀察到的亮光伏孤子的特性。2000年，劉勁松等［16］在理論上用數(shù)值模擬的方法研究了屏蔽光伏的自偏轉(zhuǎn)特性及其穩(wěn)定性。2004年，E.Fazio等［17］首次在LiNbO3晶體中觀察到了屏蔽光伏孤子。短短十幾年，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)孤子、屏蔽孤子、光伏孤子和屏蔽光伏孤子相繼被推導(dǎo)證明并被觀察到。其后人們就光折變光孤子需要低功率的光強(qiáng)，可以在2個(gè)尺度內(nèi)維持穩(wěn)定，儲存時(shí)間長，容易被誘導(dǎo)控制等特點(diǎn)對空間光孤子相互作用［18］、兩波耦合［19-21］、信息存儲和處理等進(jìn)行了深入的研究。近年來光折變空間孤子開始針對雙光子過程，這主要在于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間有用來儲存大量激發(fā)態(tài)電子的一個(gè)中間能級，通過2次光激發(fā)從價(jià)帶到達(dá)導(dǎo)帶。2007年，基于雙光子光折變效應(yīng)的屏蔽孤子、光伏孤子被侯春風(fēng)等［22］從理論上證明了存在性，2009年，張光勇等［23］研究了基于雙光子效應(yīng)的屏蔽光伏孤子的存在。

3 光孤子的發(fā)展前景

時(shí)間光孤子應(yīng)用在光纖光孤子通信領(lǐng)域的前景巨大，在傳輸速度方面采用色散管理孤子超長距離的高速傳輸，使用波分復(fù)用技術(shù)、超短脈沖控制技術(shù)使速率提升到Tbit/s以上，在超長距離、超高速、大容量全光通信中，尤其在海底光纖通信系統(tǒng)中有著很大的發(fā)展前景。根據(jù)空間光折變光孤子的特性主要是研究單光子光折變材料和光器件，例如:利用獨(dú)立空間孤子對間的非對稱影響原理做成單向光耦合器件;通過控制屏蔽光伏孤子的亮暗孤子之間的轉(zhuǎn)換特性做成光開關(guān)。光孤子在光控器件、集成光學(xué)的開發(fā)和光通信傳輸領(lǐng)域的研究，是將來實(shí)現(xiàn)光通信和存儲應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。但是還需進(jìn)一步改善技術(shù)，減少或抑制多孤子間的相互作用影響，同時(shí)應(yīng)使其傳輸過程中主要部件實(shí)用化、商業(yè)化。因此，對光孤子的研究值得進(jìn)一步深入開展。

［1］ KORTEWEG D J，DE V G.On the change of form of long waves advancing in a rectangular canal and on a new type of long stationary waves［J］.Philosophical Magazine，1895，39(240):422-443.

［2］ ZABUSKY N J ，KRUSKAL M D.Interaction of“Solitons”in a collisionless plasma and the recurrence of initial state［J］.Phys Rev Lett，1965(15):240-243.

［3］MOLLENAUER L F，STOLEN R H ，GORDON J P.Experimental observation of pieoseeond pulse narrowing and solitons in optics fibers［J］.Phys Rev Lett，1980，45(13):1095-1098.

［4］ SEGEV M ，CROSIGNANI B.Spatial solitons in photorefractive media［J］.Phys Rev Lett，1992(68):923-926.

［5］SEGEV M ，VALLEY G C.Steady-state spatial screening solitons in photorefractive materials with external applied field［J］.Phys Rev Lett，1994，73(24):3211-3214.

［6］VALLEY G C，SEGEVL M.Dark and bright photovoltaic spatial solitons［J］.Phys Rev A，1994，50(6):4457-4460.

［7］張金平，劉峰，李盼來，等.Ce:KNSBN晶體中扇形光的時(shí)間演化［J］.河北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，23(4):371-374.

［8］魏麗靜，郭慶林，蘇紅新，等.Cr:KNSBN光折變晶體的非線性特性［J］.河北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，26(5):480-483，488.

［9］HASEGAWA A，TAPPERT F.Transmission of stationary nonlinear optical pulses in dispersive dielectric fibers Ⅰ.Anomalous Dispersion［J］.Appl Phys Lett，1973，23(3):142-144.

［10］NAKAZAWA M，KIMURA Y l.Efficient Er3+doped optical fiber amplifier pumped by a 1.48nm lnGaAsP laser diode［J］.Appl Phys Lett，1989(54):295-297.

［11］迎春，杜云剛，關(guān)玉琴，等.拋物線平方變跡光纖光柵中布拉格亮孤子傳輸特性的數(shù)值研究［J］.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，4(28):258-261.

［12］ CHIAO R Y，GARMIRE E.Self-trapping of optical beams［J］.Phys Rev Lett，1964，13(12):479-482.

［13］ DUREE G C，SHULTZ J L.Observation of self-trapping of an optical beam due to the photorefractive effect［J］.Phys Rev Lett，1993，71(4):533-536.

［14］TAYA M，BASHAW M C.Observation of dark photovoltaic spatial solitons［J］.Phys Rev A，1995，52(4):3095-3100.

［15］劉勁松，盧克清.加外電場的光伏光折變晶體中的空間孤子波［J］.物理學(xué)報(bào)，1998(9):102-107.

［16］LIU J S，ZHANG D Y，LIANG C H.Stability of bright screening photovoltaic spatial solitons［J］.Chin Phys，2000(9):667.

［17］FAZIO E，RENZI F.Screening-photovoltaic bright solitons in lithium niobate and associated single-mode waveguides［J］.Appl Phys Lett，2004，85(12):2193-2195.

［18］張霞萍.強(qiáng)非局域空間三維光孤子短程相互作用［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60(3):299-305.

［19］郭慶林，梁寶來，魏艷紅，等.Ce:KNSBN光折變晶體兩波耦合特性研究［J］.河北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2000，20(3):248-251.

［20］梁寶來，郭慶林，魏艷紅，等.Ce:KNSBN晶體正交偏振寫入光兩波耦合特性［J］.河北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，21(2):130-133.

［21］SHE W L，LEE K K.Wave coupling theory of linear electrooptic effect［J］.Opt Commun，2001(195):303-311.

［22］HOU C F，ZHANG Y，JIANG Y Y.Photovoltaic solitons in two-photon photorefractive materials under open-circuit conditions［J］.Opt Commun，2007，273(2):544-548.

［23］ZHANG G Y，LIU J S.Screening-photovoltaic spatial solitons in biased two-photo photovoltaic photorefractive crystals［J］.J Opt Soc Am B，2009(26):113-120.