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1、综述报告 光折变孤子的基本理论及发展现状概述 姓名：张昭 学号：120113114 指导老师：引言 随着现代光纤通信的快速发展，以光孤子理论为基础的孤子通信越来越受到通信行业的关注，当光脉冲在光纤中传输的过程中，由于光纤自身的色散效应会导致光脉冲在传输一段距离后出现不可避免的展宽，从而大大限制了光纤传输的传输速率和中继距离。而对于光纤的非线性作用来讲恰好相反，它使光脉冲在传输过程中变窄，并最终导致脉冲过窄而使其破裂，从而限制了可以耦合进入光纤传输的光功率。由此，技术人员们提出这样一个设想，如果在光纤传输的过程中，如果同时利用这两种作用，在一定条件下使光纤的非线性作用和色散效应相互抵消，从而保持
2、光脉冲在传播过程中不发生变形而形成所谓的孤子，上述为孤子通信的设计理念。而光孤子的应用不仅于此，随着时代发展进一步发现的光折变孤子有着更为广泛的应用，利用光折变孤子在非线性晶体中所形成的光波导，可实现一种“全光开关的技术”，我们可以利用光折变孤子所形成的波导引导其他光强以及波长的光束，实现弱光引导强光，非相干光引导相干光，从而获得一种引导和调控其他光束的光控光，可以遇见，孤子通信，全光开关技术在不久的将来必将大放异彩。 本文将介绍一些关于光孤子的基本理论部分以及光孤子在现代通信，传媒中的广泛应用和发展前景。正文1.光折变孤子的基本理论：空间光孤子指的是使光束的线性衍射效应和非线性的自聚焦效应达
3、到平衡时的光束波形保持不变所产生的光孤子，光折变空间孤子则是指存在于具有光折变效应的电光材料中的空间光孤子，这种空间孤子对入射光强没有明显的阈值要求，其形成原因是在光照情况下，光折变介质内部可以激发出自由电荷，而这些自由电荷或着因为浓度梯度扩散，或着在电场作用下发生漂移，或着由光伏效应而产生迁移运动，从而造成正负电荷的分离，产生了空间电荷场，在线性电光效应作用下空间电荷场会使晶体中形成折射率透镜或是波导，就会对光束产生一定的空间约束会聚作用，从而抵消由于衍射导致的波形展宽，使得光束能够保持空间波形不变的在晶体中传播。其原理如图1所示：图12.光折变空间光孤子的分类：光折变光孤子中心对称光折变空
4、间光孤子非中心对称光折变空间光孤子准稳态（瞬态孤子）屏蔽孤子光伏孤子屏蔽光伏孤子部分非相干孤子晶格孤子全息孤子双光子光折变光孤子2.1：准稳态孤子准稳态孤子是最早发现的光折变空间孤子。它要求外加电场，且只能在一定的时间窗口(折射率光栅形成之后和外电场被屏蔽之前)内才能观察到，孤子的宽度只依赖于输入光束的尺寸，而不依赖于外加电场的数值和入射光束的绝对光强，所以它可以在pW的入射功率下形成，并在两个横向维被陷获。1992 年，光折变材料中的空间光孤子最先由 Segev 等人从理论上得到验证，利用两束入射光的二波耦合过程来补偿孤子光束的扩散效应，在合适的外加电场作用下，可以形成一维光折变空间光孤子。
5、由于准稳态光折变孤子在材料中存在的时间很短，限制了其研究和应用范围。2.2：屏蔽孤子屏蔽孤子的产生需要外加电场。当一束激光纵向射入加有横向电压的光折变材料时，在材料内部光照区将产生光激发电荷，这些电荷经迁移并最终被俘获，这样在材料内部就会产生不均匀的空间屏蔽电场，屏蔽掉一部分外电场，使材料内部的电场发生非均匀分布，并进一步通过线性电光效应使材料的折射率发生变化，由此在材料中形成一个梯度波导，使光束自陷，形成空间光孤子。理论分析表明：当外加电场方向与晶体光轴方向一致时，光折变材料支持亮屏蔽孤子；当外加电场方向与晶体光轴方向相反时，光折变材料支持暗或灰屏蔽孤子。最典型的观察屏蔽孤子的光折变材料是S
6、BN。2.3：光伏孤子光伏孤子是指在块状光伏光折变材料中所形成的一种空间光孤子。它的产生不需要外加电场但需要光折变材料具有很好的光伏效应。典型的光伏光折变材料是LiNbO3和Cu: KNSBN。当一束光射入光伏光折变材料时，材料内部会产生很强的光生伏打内电场，该电场通过线性电光效应使光照区折射率发生变化，产生类透镜效应，使光束发生自陷，进而形成空间孤子。一般在自散焦介质中支持空间暗或灰光伏孤子；在自聚焦介质中形成空间亮孤子。2.4：屏蔽光伏孤子有外加电场的非光伏晶体中可以形成屏蔽孤子，而在没有外加电场的光伏光折变晶体中可以形成光伏孤子，在光伏场和外电场共同作用下而形成的光折变空间孤子被称为屏蔽
7、-光伏孤子。2.5：部分非相干孤子部分非相干光是介于相干光和非相干光之间的一种光波状态，可分为时间和空间部分非相干光。显然，相对于相干光，部分非相干光的衍射发散效应更明显。但是在适当的条件下，介质的非线性效应也会完全平衡掉部分非相干光的衍射效应，进而形成光束的自陷，这就是部分非相干孤子。2.6：晶格孤子最近，起源于光折变效应的晶格孤子的研究成为一个热点研究领域。通过利用光诱导方法或者部分成像的方法可以在光折变材料中生成一维和二维的具有周期性结构的光学晶格。目前，光折变材料中的光学格子孤子、带隙孤子和缺陷模孤子的研究逐渐成为新的研究热点。2.7：全息孤子2002 年，Cohen 等人提出了一种新
8、的形成空间光孤子的物理机制，称之为全息自聚焦，起源于该种机制的空间光孤子称为全息孤子。与传统研究的基于自相位调制自聚焦产生的光折变空间孤子不同，全息孤子是一种基于双光束耦合产生的新型空间孤子。两束相干光在非线性介质中传播，干涉后形成一个周期性变化的折射率光栅，光束通过 Bragg 衍射形成对光束的聚焦从而平衡掉光束由衍射所导致的发散。当两束光之间没有非对称能量转移时，两束相干光能同时演化为空间孤子。结果表明，当折射率光栅与能量光栅同相位时将会产生全息自聚焦，从而形成亮全息孤子；而当折射率光栅与能量光栅反相时将会产生全息自散焦，进而形成暗全息孤子。2.8：双光子光折变光孤子2003 年，Cast
9、ro-Camus等人提出了一种基于双光子吸收的光折变效应模型。在此模型中，晶体中存在价带、导带和中间能级。利用启动光先将价带上的电子激发到中间能级上，信号光再把中间能级的电子激发至导带。2005 年，侯春风等人首次对基于双光子光折变效应的屏蔽空间孤子进行了研究，证实在双光子光折变晶体中可以产生稳态亮、暗空间光孤子，并且用微扰分析方法讨论了扩散场引起的亮空间孤子的自偏转效应。由于该种孤子的形成需要启动光和信号光的共同作用下才能形成，所以对于双光子光折变空间光孤子写入的波导，信号光在读取信息时不会擦出晶体中存储的信息。2.9：中心对称光折变空间光孤子与非中心对称光折变材料不同的是，中心对称光折变材
10、料中形成空间孤子时，材料折射率的非线性变化是由克尔效应引起的。中心对称光折变空间光孤子首先由Segev等人在1997年进行了报道，他们从理论上证明了中心对称光折变材料中也可以形成亮、暗空间孤子，并对孤子的存在曲线进行了详细的讨论。1998年，DelRe等人在有外加电场的中心对称钽铌酸锂钾(KLTN)光折变晶体中，观测到了亮空间孤子，实验结果与理论预言吻合得非常好。一般在中心对称光折变材料如KLTN中，由于它具有正的二次电光系数而形成亮空间孤子。另外，在KLTN中, 如果没有外加电场也可以形成空间光孤子，但此时的非线性效应源于扩散场而不是非中心对称材料中的光伏场。此时晶体处于临界铁电转变相附近。
11、3：空间电场及孤波方程3.1空间电荷场分布：如图2所示，光折变晶体光轴c沿x方向放置，其上施加有沿x方向的外电场E0=E0x，入射光只在x方向衍射，沿z方向在晶体内传播。 在上述光路装置中，入射光波的电场分量E满足如下的Helmholzt方程： (1)其中，k0是光波在自由空间的波长，是光折变晶体非常光折射率，它由下式给出： (2)其中，r33是电光系数，ne是未受扰动时晶体非常光折射率，Esc是光波感应出的空间电荷场。光波的电场分量E可表示为慢变振幅形式，设是E的慢变化包络， (3)其中k=k0ne。将(3)式代入(1)式中，并利用慢变化近似， (4)可得到光波满足的傍轴方程为： (5)其中
12、，。空间电荷场Esc可以从描述光伏光折变效应的速率方程、连续性方程、Poisson方程和Gauss定律中导出。一维情况下，这些方程是： (6) (7)在上述光路装置中，入射光波的电场分量E满足如下的Helmholzt方程： (1)其中，k0是光波在自由空间的波长，是光折变晶体非常光折射率，它由下式给出： (2)其中，r33是电光系数，ne是未受扰动时晶体非常光折射率，Esc是光波感应出的空间电荷场。光波的电场分量E可表示为慢变振幅形式，设是E的慢变化包络， (3)其中k=k0ne。将(3)式代入(1)式中，并利用慢变化近似， (4)可得到光波满足的傍轴方程为： (5)其中，。空间电荷场Esc可
13、以从描述光伏光折变效应的速率方程、连续性方程、Poisson方程和Gauss定律中导出。一维情况下，这些方程是： (6) (7) (8) (9)其中，ND+几和ND分别是电离和未电离施主密度，NA是受主密度，J是电流密度，si是光电离截面，R是载流子复合速率，是电子迁移率，e己是基本电荷，n是电子密度，kB是Boltzmann常数，T是绝对温度，0和r分别是自由空间和相对介电常数，kp是光伏常数，Id是暗辐射光强，I=I(x,z)是光波的光强，同的关系满足Poynting定律。由(6)(9) 中严格地推出Esc是困难的。对于典型的光折变晶体，近似条件ND+ n，ND n，NA n得到很好的满足
14、。利用这些条件，可以简化上述方程。当光强I(x,z)是随x的慢变化函数时，对于绝大多数光伏光折变晶体来说，无量纲量远远小于1，由此可得： (10) (11)在x区域，电子密度为n，电流密度为J。可由(7)和(11)式得： (12)其中Ep=kppNA/(e)是光伏场常数。在I(x,z)随x变化的区域，由(6)、(7)式，有： (13)由(9)式表明电流密度J在晶体内部处处为常数，即J=J(x,z)，因此： (14)由(14)式可得空间电荷场Esc的简化表达式为： (15)由(5)和(15)式，即可建立起光波包络的演化方程。通常，为方便起见，可通过一些坐标和变量代换来得到演化方程的归一化形式。这些无量纲坐标和变量是 (8) (9)其中，ND+几和ND分别是电离和未电离施主密度，NA是受主密度，J是电流密度，si是光电离截面，R是载流子复合速率，是电子迁移率，e己是基本电荷，n是电子密度，kB是Bol
