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1、题 目： 光孤子传输特性的分析 学 院： 信息学院 专 业： 通信工程 姓 名： XXX 指导教师： 时书丽 完成日期： XXXX/X/XX 摘 要现实世界中的光孤子是在光纤中经过长距离的传播以后，脉冲宽度仍然保持不变的光脉冲。光孤子是在光纤中的非线性效应与群速度色散共同作用时处于平衡态时产生的。光孤子通信是使用光孤子作为载体的一种通信方式，光孤子通信技术是一种全新光纤通信技术，其具有高速、容量大、传输距离远等特征。光孤子通信技术基于非线性光学的理论基础,通过降低或克服光纤中的色散效应以降低在传输过程中对光信号限制，可传输信号至数万公里以外。然而现实中的光纤通信技术却不是这么理想的，这种通信技
2、术受到多方面的影响，导致其传输特性和传输容量达不到预期值。影响光孤子通信的因素主要有两方面：一是光纤介质，如损耗、色散等；二是非线性效应，如自相位调制(SPM)等。本文在研究光孤子传输特性中主要做了以下几个方面的工作：1、本论文首先介绍了光孤子的概念，并对其产生机理进行了分析，讨论了其传输的线性特性和非线性特性；建立了孤子包络传输方程；2、本文采用了分步傅里叶变换和逆散射法两种方法对孤子传输方程进行了求解并进行了比较分析；3、列举了影响孤子传输的因素并逐一对其进行了分析并提出了改进方法。关键词：光孤子；传输特性；光孤子通信系统 Abstract In the real world is opt
3、ical solitons in optical fiber after long distance transmission, optical pulse pulse width stays the same. Nonlinear effect of optical solitons in optical fiber and group velocity dispersion interaction in the equilibrium state. Optical soliton communication is to use a kind of optical soliton as ca
4、rrier communication, optical soliton communication technology is a new optical fiber communication technology, it has the characteristics such as high speed, large capacity, long transmission distance. Optical soliton communication technology based on the theory of nonlinear optics, by reducing or o
5、vercoming the dispersion effect in the optical fiber to reduce during transmission limit, optical signals can transmit signal to tens of thousands of kilometers away. Optical fiber communication technology in the reality, however, is not so ideal, this kind of communication technology under the infl
6、uence of various, its transmission characteristics and transmission capacity can not meet the expected value. The influencing factors of optical soliton communication mainly has two aspects: one is optical fiber media, such as loss, dispersion, etc.; Second, nonlinear effects, such as the self-phase
7、 modulation (SPM). Based on the study of optical soliton transmission characteristics mainly done the following several aspects：1. this paper first introduces the concept of optical soliton, and its mechanism are analyzed, and discussed the linear and nonlinear characteristics of transmission; The e
8、quations of soliton envelope transmission;2. In this paper, by using the fractional Fourier transform and inverse scattering method of soliton transmission equation of the two methods to solve and compare the analysis;3. Lists the influence factors of soliton transmission and one by one for analysis
9、 and improvement methods are put forward.Key words: optical soliton; transmission characteristics; the optical soliton communication systemII目 录摘 要I序 言1一、光孤子概述21. 光孤子22. 光孤子的产生机理22.1 光纤中的线性特性22.2 光纤的非线性特性43. 光纤中光波的包络方程54. 光孤子传输系统的技术参数74.1 色散长度74.2 孤子周期Z74.3 归一化损耗7二、非线性薛定谔方程的解71. 分步傅里叶变换法求解72.逆散射方法（I
10、ST）求解92.2.1 逆散射方法的基本思路92.2.2逆反射变换方法的关键113.分析讨论12三、影响光孤子传输性能的因素121. 孤子间的相互作用123.1.1孤子间相互作用分析123.1.2孤子相互作用的抑制152. 初始啁啾173. 高阶非线性效应与高阶色散194.本章小结21四、总结211. 结论与启示212. 建议21参考文献22致 谢23序 言社会的发展导致人们的生活与信息密不可分，人们对信息的需求使得现在的技术无法满足这种需求，这种现象近几年特别明显。带宽已经不能满足人们对信息快速化的要求，就在这个时期，光纤通信系统出现了，它迅速发展成为新型全光通信技术，它主要依靠速度快、距离
11、远、容量大、保密性能强等优点成为了近些年来人们研究的话题。针对当今现状,以线性系统作为理论根本的线性光学，这种光学系统已经被实用化。光孤子通信逐渐走进人们的视线，人们渐渐的发现光纤中存在着损耗和色散，然而这两个却是限制高速数字脉冲传输距离的最主要因素。在应用方面光孤子这种通信方式潜力很大，具有很高的可操作性。但是在这种系统的选择方面，必须走制造价格低廉，性能稳定可靠，存储量大，在距离和速度方面必须快且长。通常情况下，只有降低或克服色散和损耗等因素对传输距离等的限制才能从根本上提高通信系统容量，彻彻底底地解决掉传统光纤通信中出现的问题。人们看好光纤孤子通信系统的原因有两个：第一, 光孤子通信远离
12、了电子中继器时代，光孤子的全光通信除了可以实现高速远距离传输之外,还可以降低色散影响,对于增大带宽,提高通信系统的传输容量,解决传统光纤通信的低速问题等方面有重大的作用。第二，全光通信可以在某些特殊环境下工作，使应用领域更加广泛，另外非线性效应补偿了光纤的色散效应而使得其处于平衡状态,产生了光孤子。提出这种概念之后的几年，人们对其进行多年的发展研究，目前对于光孤子通信系统的研究成果已经是非常令人满意的，其在各个方面的优点,具有在一定条件下加快通信技术的更新，使得其更快的适用于商业用途，并起到无可替代的作用。对于已经做到了全光通信的光纤类系统，其构成的基础就是光孤子这种技术。在工作中，不需要光和
13、电的相互转换，并且对于长距离、大容量的传输信息具有重大的作用。 光孤子传输特性的分析一、光孤子概述1. 光孤子soliton是“弧子”的英文单词。19世纪，它偶然的被一个负责海军项目的英国工程师发现。当时在船上的他发现，船舶在河流中航行的过程中，会产生一种形状特殊且保持不变的水波，将之称为孤波（solitorywave）。弧波由于具有很大的研究价值引来无数从事数学和物理方面研究的人员的注意，掀开了对其研究长达一个世纪的序幕。Kortweg 和 DeVries等在后期对其进行推导，演算最后发现了KdV 方程，这是一个关于弧子解的著名方程。它对以潜水问题为代表的波动问题进行具体描述，解释了其存在的
14、普遍性。Hasegawa（日本）在20世纪末惊奇的发现弧子可以从光纤中产生。随后几年间，他又惊奇的发现弧子具有承载传递信息的特性，于是本文的通信方式就诞生了，即此方案也被称为光孤子通信， 并坦言在21世纪初叶基本可以看到实例化了的光孤子通信，至此光纤孤子应用才彻底走进人们的视线。光纤孤子是由非线性效应与光纤色散相互作用而产生的产物，可以用非线性薛定谔方程（NLSE）来完全描述出来，光纤孤子受到光纤非线性效应支配的同时也受到线性效应对其的支配。在传输的整个过程，光纤具有群速色散的特性（GVD），和指数型的脉冲展宽造成其发生脉冲展宽。然而脉冲幅度的衰减（按指数形式衰减）则是由光纤损耗造成的，光纤中
15、存在的非线性效应使得脉冲发生压缩。它的产生形式密切相关于色散和非线性，这两种效应的动态平衡是其产生的根本。2. 光孤子的产生机理2.1 光纤中的线性特性2.1.1 光纤损耗光纤损耗是用来描述在光纤中传输的光信号，在传输过程中由于光纤材料受到强烈的辐射或者光纤材料处于高热能的状态下，光纤材料会因受到刺激而产生缺陷，严重时会导致光的能量被吸收，使得光信号出现损耗。其本征损耗值：是由光纤材料的线性折射率来决定的，与的关系可表示为 （1.1）光纤材料中的杂质通常是元素金属表中的、等过渡金属和氢氧根离子，在光纤发展的早期阶段，为了实现光纤的低损耗传输，这些杂质是必须除掉的。随着时间的推移，技术的更新，对于过渡金属离子含量的降低已经达到令人满意的效果，其对传输的影响几乎可以忽略不计。然而对于氢
