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动问题(浅水波)，1965年，Zabusky与Kruslcal在研究等离子体时，求解了KdV方程满足周期性边界条件的系列孤波解，并发现孤波具有很好的稳定性及在碰撞时存在类似粒子的弹性碰撞，此时又称该种孤波为孤(立)子，此后各国科学家都致力从数学和物理概念上去充分研究和理解这种非线性波。第一次把孤子概念运用于通信的构思在1973年，日本人Hasgawa研究发现无损耗光纤介质中光场包络满足非线性Schrodinger方程(NLSE)，在反常色散区存在亮孤子，在正常色散区存在暗孤子[3]。随后，Mollenauer等人于1980年用实验证实了用人工方法可在光纤中产生光孤子[4]。至1981年，Hasegawa和Kodama提出采用光纤孤子作为信息载体进行信号传输的设想[5] ,从而使人们看到了光孤子的应用前景，由此开始了光孤子通信研究的热潮。
经过十几年的研究，已建立了比较完善的光孤子通信理论体系，基本解决了各种实验系统方案和系统设计方法以及各种关键技术，光孤子通信技术已趋于成熟。但如何将光孤子通信推向实用化还存在着一些实际问题。1995年前后，Knox/Nakazawa等提出了色散管理孤子(DMS)的新的传输方案，该种方案有效地解决了传统孤子传输系统中的一些问题，从而大大推进了孤子通信的实用化进程。所谓的DMS其实就是非线性系统中的周期色散补偿，通过周期配置正负色散光纤从而使传输线路上的平均群速度色散(GVD)很小，这就大大简化了对传输光纤的特殊要求。
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第二章 光孤子通信系统的基本概念
2.1 光孤子通信基本组成
目前已提出的其实验系统的构成方式种类较多，但其基本部件却大体相同，图1-1所示即为基本组成结构。
光孤子源调制器功率放大器隔离器光纤传输系统光孤子接收端隔离器前置放大器
图 2-1 光孤子通信系统的基本组成结构
图2-1中的孤子源并非严格意义上的孤子激光器，只是一种类似孤子的超短光脉冲源，它产生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲，这种超短光脉冲，在光纤中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。电信号脉冲源通过调制器将信号加载于光孤子流上，承载的光孤子流经EDFA放大后进入光纤传输。沿途需增加若干个线路放大器，以补偿光脉冲的能量损失。同时需平衡非线性效应与色散效应，最终保证脉冲的幅度与形状稳定不变。在接收端通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其它辅助装置实现信号的还原。
2.2 光孤子通信与光纤通信的区别
光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“色散”。“损耗”使光信号在传输时能量不断减弱；而“色散”则是使光脉冲在传输中逐渐展宽。所谓光脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的集合。光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真。如今随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近
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理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。
光纤的色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化。在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄。
如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信。
光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与群速度色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出1~2个数量级，中继距离可达几百km。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。
从光孤子传输理论分析，光孤子是理想的光脉冲，因为它很窄，其脉冲宽度在皮秒级（ps，即10-12s）。这样，就可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生脉冲重叠，产生干扰。利用光孤子进行通信，其传输容量极大，可以说是几乎没有限制。传输速率将可能高达每秒兆比特。如此高速将意味着世界上最大的图书馆——美国国会图书馆的全部藏书，只需要100秒就可以全部传送完毕。由此可见，光孤子通信的能力何等巨大。
2.3 国内外发展现状
2.3.1 光孤子通信在美国和日本的实用化进程
在全世界范围，全光通信系统已在横跨大西洋的TAT-10系统和横跨太平洋的TPC-15系统上首先应用。在光孤子通信领域美国和日本领先。
1）美国贝尔实验室Mollenauer研究小组的实验系统是世界上最早的光孤子实验系统，首次检测出脉宽为10ps的光孤子经10km传输无明显变化，从而首次从实验上证实了光孤子传输的可能性。
2）1995年，在日本东京地区的光纤局域网上，NTT公司首次实现10Gbit/s、 2000km的光孤子现场直通测试，从而将实验室内的实验转升为现场实验，为实用化进程迈出了十分重要的一步。
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3）美国：美国贝尔实验室已成功地将激光脉冲信号传输了5920km，还利用光纤环实现了5Gbit/s、传偷15000km的单信道孤子通信系统和传输11000km总码速达到10Gbit/s的双信道波分复用孤子通信系统；美国光谱物理公司已制成能产生4×10-13s的孤立波脉冲信号器件。
4）日本：日本利用普通光缆线路成功地进行了超高20Tbit/s、远距离1000km孤立波通信；日本电报电话公司在1992年推出速率为10Gbit/s、能传输12000km的直通光孤子通信实验系统。 2.3.2 光孤子通信在中国
1）1994年掺饵光纤放大器在武汉通过鉴定
由武汉邮电科学研究院研制的EDFA，具有增益高、噪声低、增益特性与光偏振状态无关。在多路系统中信道交叉串拢通常可以忽略等一系列优点，达到世界先进水平。在光端机的发送端加后置式掺饵光纤放大器，在接收端加低噪声前置掺饵光纤放大器，则可以使2.488Gbit/s系统具有跨越100～250km无中继距离的能力。可大大降低中继成本。
2）1999年“863”研究项目“OTDM光孤子通信关键技术研究”通过了专家验收。该项目成功地研制了增益开关激光器和2.5Gbit/s的RZ脉冲光接收机，并在以下各技术领域取得成功：
a）采用色散补偿光纤对光脉冲进行压缩； b）采用2.5Gbit/s～20Gbit/s的光信号复用； c）从20Gbit/s的复用系统中提取2.5Gbit/s电时钟；
d）采用非线性光学环路实现2.5Gbit／s～20Gbit／s的解复用； e）采用啁啾光栅对20Gbit／s信号在标准单模光纤中传输105km后造成的色散进行补偿。
f）研制2.5Gbit／s锦酸钾强度调制发送单元；
g）成功地进行了20Gbit/s、105km的光纤传输。
2.4 光孤子通信的优越性及其展望
2.4.1 光孤子通信的优越性
1）综上所述，光孤子通信克服了色散的制约，当光强度足够大时会使光脉冲变窄，脉冲宽度不到一个ps，可使光纤的带宽增加10～100倍，极大的提高了传输容量和传输距离，尤其是当光速度超过10Gbit／s时，光孤子传输系统显示出明显的优势。光孤子通信作为新一代光纤通信系统在洲际陆地通信和跨洋通信等超长距离、超大容量通信系统中大显身手。
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2）光孤子通信系统不但容量大、频带宽、增益高，更可贵的是从根本上改变现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗和不便，是一场光纤通信的革命。
3）光孤子通信系统由于没有使用电子元件，可以工作在很高的温度下工作，甚至是1000℃的高温。这对高温条件下的自动控制或测量具有划时代的意义,为人类提供了新的理想的传输系统，意义重大。 2.4.2 展望
光孤子通信以其巨大的应用潜力和发展前景令世人瞩目，尤其是EDFA技术的迅速发展使得几十至几百吉比特率，几千至几万公里的信息传输变得轻而易取。如此美好的应用前景、如此诱人的事业，一定会吸引国内外众多科技人员为之努力贡献。本世纪初叶就会看到光孤子通信实用化的到来。
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