光孤子的簡述

朱葉青

摘要：對于孤子領(lǐng)域的探索與研究可以使我們擴(kuò)展對基本物理現(xiàn)象和原理的理解，世界上不少物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家對之很感興趣，直到20世紀(jì)70年代，由于光纖通訊的發(fā)展，光孤子的研究與探索才引起了人們的普遍關(guān)注，其理論及其應(yīng)用均取得了很大的進(jìn)展，在光通信、光子信息處理、全光網(wǎng)絡(luò)等方面有著不可估量的廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：空間光孤子 時間光孤子 非局域非線性介質(zhì) 光孤子通信

一、引言

人們對孤子現(xiàn)象的研究最早應(yīng)該追溯到1834年8月，當(dāng)時蘇格蘭科學(xué)家Russell偶然在狹窄的河道中觀察到水的“孤立波”現(xiàn)象。1895年，荷蘭數(shù)學(xué)家Korteweg和他的學(xué)生對淺水波的運(yùn)動進(jìn)行研究，建立了著名的KdV方程，并給出了方程的孤立解，從而證明了孤立波的存在。對于孤子領(lǐng)域的探索與研究可以使我們擴(kuò)展對基本物理現(xiàn)象和原理的理解，世界上不少物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家對之很感興趣，直到20世紀(jì)70年代，由于光纖通訊的發(fā)展，光孤子的研究與探索才引起了人們的普遍關(guān)注，其理論及其應(yīng)用均取得了很大的進(jìn)展，在光通信、光子信息處理、全光網(wǎng)絡(luò)等方面有著不可估量的廣泛的應(yīng)用前景。

二、孤子的簡介

光孤子就其形成機(jī)制，可分為時間光孤子和空間光孤子，時間光孤子是因?yàn)楣獾娜核俣壬⑴c非線性自相位調(diào)制相互平衡而形成的，由于其特有的一些性質(zhì)，一直是通訊領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)；而空間光孤子是因?yàn)楣馐难苌湫?yīng)與非線性效應(yīng)相互平衡而形成的，由于其在全關(guān)開關(guān)，光路由，光子信息處理，光邏輯門等方面的潛在應(yīng)用，自上世紀(jì)中后期已經(jīng)成為了研究的熱門領(lǐng)域。

空間光孤子的種類繁多，內(nèi)容非常豐富，按其直觀特性可以分為亮孤子、暗孤子、灰孤子三類。根據(jù)材料對光場響應(yīng)的不同非線性機(jī)理，可將空間光孤子分為克爾孤子，類克爾孤子，二次孤子，光折變孤子等，還可以根據(jù)其表現(xiàn)方式進(jìn)行分類，這樣的分類方法不直接與具體的材料發(fā)生聯(lián)系，根據(jù)這種分類方法，可以將空間光孤子分為相干孤子，非相干孤子，離散孤子，非局域空間光孤子，時空孤子等。非局域空間光孤子是存在于空間非局域非線性介質(zhì)中的空間光孤子，所謂空間非局域非線性介質(zhì)，指的是介質(zhì)中一點(diǎn)對光場的非線性響應(yīng)，不僅僅與該點(diǎn)的光場有關(guān)，而且與空間中其他點(diǎn)的光場有關(guān)，材料的空間非局域性起源于物質(zhì)內(nèi)對光場響應(yīng)的單元的空間相關(guān)性，若材料的這種相關(guān)性為零，則為局域性材料。因此，根據(jù)光束束寬與介質(zhì)非線性響應(yīng)函數(shù)相關(guān)長度的相對尺度，通?？蓪⒎蔷钟虺潭确譃樗拇箢悾壕钟蝾悺⑷醴蔷钟蝾?、一般性非局域類、強(qiáng)非局域類。空間光孤子的研究很長時間都局限在局域介質(zhì)方面，孤子在這類介質(zhì)中傳輸滿足局域非線性薛定諤方程，對它的精確求解需用到非常復(fù)雜的逆散射法。1997年，Snyder和Mitchell對光束在強(qiáng)非局域介質(zhì)中的傳輸做了杰出的貢獻(xiàn)，將復(fù)雜的非線性問題化為簡單的線性問題。從此之后，非局域空間光孤子研究成為孤子研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

三、孤子的應(yīng)用前景

因?yàn)闀r間光孤子的重要特性，所以在光孤子通信領(lǐng)域的前景巨大，光孤子通信是實(shí)現(xiàn)超長距離高速通信的重要手段，同時也被認(rèn)為是第五代光纖通信系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)通過波分復(fù)用、偏振復(fù)用和正交偏振等技術(shù)可以使得光孤子系統(tǒng)中的有效碼率提升到Tbit/s以上。隨著光纖孤子激光器、光纖放大器等的技術(shù)日趨成熟，光孤子傳輸系統(tǒng)會向著全光纖孤子傳輸方向發(fā)展，且因?yàn)榘倒伦邮芄饫w損耗的影響相對于亮孤子會小些，所以暗孤子光纖通信也可能會成為未來光孤子通信的主導(dǎo)方向。

有關(guān)空間光孤子的理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究都廣泛進(jìn)行著，且取得了卓越成果，在二次材料、光折變材料、向列相液晶、鉛玻璃等不同的介質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)了空間光孤子，其中向列相液晶和鉛玻璃則陸續(xù)被證明是強(qiáng)非局域非線性材料，成為了近十幾年來的研究焦點(diǎn)。對空間光孤子的研究不僅使得我們擴(kuò)展了對基本物理現(xiàn)象與原理的理解，更重要的是空間光孤子本身在光子（全光）信息處理（全光開關(guān)，全光互聯(lián)，光路由以及全光邏輯光路等）方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)現(xiàn)高速率、大容量全光網(wǎng)絡(luò)和光計(jì)算時，光子信息處理技術(shù)是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)單元。而全光網(wǎng)絡(luò)和光計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵是全光控制技術(shù)，空間光孤子理論則是全光控制技術(shù)的基礎(chǔ)原理之一，因此對空間光孤子特性的全面研究和徹底掌握具有非常重要的價值。

光孤子不僅在應(yīng)用方面有著廣闊的前景，而且在物理的一些基礎(chǔ)理論的探討、驗(yàn)證及概念的深化等方面也有著重要的意義。

四、結(jié)語

在物理學(xué)的發(fā)展史上，理論與實(shí)驗(yàn)工作的結(jié)合往往會帶給研究者們新的發(fā)現(xiàn)，光孤子的研究正證實(shí)了這一點(diǎn)。雖然光孤子傳輸要真正實(shí)用化尚有許多問題需要解決，但隨著人們對光孤子認(rèn)識的近一步加深以及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光孤子的理論價值和實(shí)用價值將會進(jìn)一步被挖掘出來。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷超豪.孤子理論與應(yīng)用.杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

[2]R.W.Boyd. Nonlinear optics. New York：Academic Press，Inc.，1992.

[3]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.

[4]M Peccianti，C Conti，G Assanto. Interplay between nonlocality and nonlinearity in nematic liquid crystals[J]. Opt Lett，2005，30（4）：415.

[5]A.W.Snyder， D.J.Mitchell，Accessible solitons[J]. Science， 1997，276（6）：1538-1541.

[6]C.Conti，M.Peccianti，G.Assanto.Route to Nonlocality and Observation of Accessible Solitons[J]. Phys Rev Lett，2003，91（7）：073901.

[7]C.Rotschild，O.Cohen，O.Manela，et al..Solitons in nonlinear media with an infinite range of nonlocality： First observation of conherent elliptic solitons and vortex-ring solitons[J]. Phys Rev Lett，2005，95（21）：213904.