物理电气信息学院 本科毕业论文
毕 业 论 文
论文题目：单模光纤中皮秒光孤子传输
（2014届）
特性的数值研究
院系：物理电气信息学院
专业：物理学（师范） 年级：2010级 姓名： 学号： 指导老师
2014年5月11日
物理电气信息学院 本科毕业论文
单模光纤中皮秒光孤子传输特性的数值研究
摘 要
随着对大容量、高速率通信要求的不断提高，光孤子通信逐渐成为各国科学家研究的热点。光弧子是一种光脉冲序列，它在光纤中长距离传输时能保持不变，这种特性是实现光孤子通信的基础。本文首先介绍了光弧子通信中的基本概念，然后运用对称分布Fourier方法数值求解了描述光脉冲在光纤中传输的非线性薛定愕方程，最后,对皮秒光孤子在光纤中的传输特性做了研究并进行了数据模拟。
关键词：单模光纤 光孤子 传输特性 数值模拟
I
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ABSTRACT
Along with the requirement of continually improve large capacity
and high speed communication, optical soliton communication turn into research focus of the scientists from different countries. The optical soliton is a kind of optical pulse trains, it can keep shape for a long distance while propagating in the fiber. And this character is the base of realizing optical soliton communication. In this paper, firstly the basic conceptions of optical soliton communications are introduced, and then, using symmetric slit-step Fourier transform method, the Nonlinear Schr?dinger Equation which describing the optical solitons transmission is solved numerically. Finally, the characters of the picosecond (ps) soliton propagating in the fiber are studied and numerically simulated.
KEY WORDS: Single-mode fiber Optical soliton The
propagation characteristics Numerical simulation
II
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目 录
第一章 绪论......................................................... 4
1.1引言......................................................... 4 1.2研究背景..................................................... 4 第二章 光孤子通信系统的基本概念..................................... 6
2.1光孤子通信基本组成........................................... 6 2.2光弧子通信与光纤通信的区别................................... 6 2.3国内外发展现状............................................... 7
2.3.1 光孤子通信在美国和日本的实用化进程..................... 7 2.3.2 光孤子通信在中国....................................... 8 2.4光孤子通信的优越性及其展望................................... 8
2.4.1 光孤子通信的优越性..................................... 8 2.4.2 展望................................................... 9
第三章 孤子的形成与特性............................................ 10
3.1孤波现象.................................................... 10 3.2光孤子的形成................................................ 10 3.3光孤子传输方程的建立........................................ 12 第四章 ps光孤子传输特性的数值模拟 ................................. 14
4.1数值模拟.................................................... 14 4.2模拟结果.................................................... 17 第五章 总结....................................................... 18 参考文献........................................................... 19 致 谢 ............................................................ 20
II I
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第一章 绪论
1.1 引言
光孤子是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲,它最早是一由名英国海军工程师于1834年偶然发现的。而1973年,美国贝尔试验室Hasegawa[1]等人首次提出了利用光纤非线性在反常色散区进行光孤子传输的设想。1980年贝尔试验室Mollenewor等人首次在试验室中观察到了光孤子[2]。光孤子理论的出现,对于现代通信技术的发展起到了一个里程碑式的作用。因为现代通信技术的发展一直朝两个方向努力,一是大容量传输,二是延长中继距离。光孤子传输不变性的特点决定了它在通信领域的应用前景。普通的光纤通信必须每隔几十千米设置一中继站,对信号脉冲进行整形,放大,检查误码,再发射,而用光孤子的光纤通信可以不用中继站,只要对光纤损耗进行增益补偿,即可把光信号无畸变地传输极远的距离。最新的实验表明,光孤子在10 Gbps的码率下保持的距离超过106 km,而且光孤子通信的传输速率极高,预计可达到100 Gbps以上,因此光孤子通信无疑是实现超长距离、高速通信的重要手段,被认第五代光纤通信系统。
随着信息高速公路和多媒体通信技术的发展,一些长距离、高比特率通信系统的传输速率已达到了几十甚至几百Gbit/s以上。与此同时,高阶色散和偏振模色散(PMD)对光孤子通信容量的限制越来越明显。如果只考虑高阶色散对光孤子传输的影响,人们已得到高阶色散产生了不同的频率偏差,在脉冲沿产生色散波,且使孤子的中心位置随传输距离线性漂移。有关高速率传输系统中高阶色散和偏振模色散共同对孤子传输的影响,还未见报道。为解决包括群速度色散、高阶色散和偏振模色散的总色散对孤子传输如何影响问题,文中以非线性薛定谔耦合方程为模型,数值模拟了单模光纤中高阶色散作用及偏振模色散作用对孤子传输的影响。结果表明:偏振模色散导致孤子展宽,而且其峰值点的位置随传输距离漂移;如果同时考虑三阶色散和偏振模色散,孤子除加速展宽外,还在孤子前沿或后沿产生色散波;孤子脉冲峰值点的漂移速度也发生了变化。
1.2 研究背景
早在1834年，英国工程师Russel在河边观察到一列水波包络向前运动时，其包络波形保持不变，开始了对孤波科学意义上的认识。1895年，Kortweg和DeVries导出了包含有孤子解的著名的KdV方程，它可以用来描述普遍存在的波
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