光孤子的簡述

朱葉青

摘要：對于孤子領域的探索與研究可以使我們擴展對基本物理現象和原理的理解，世界上不少物理學家和數學家對之很感興趣，直到20世紀70年代，由于光纖通訊的發展，光孤子的研究與探索才引起了人們的普遍關注，其理論及其應用均取得了很大的進展，在光通信、光子信息處理、全光網絡等方面有著不可估量的廣泛的應用前景。

關鍵詞：空間光孤子 時間光孤子 非局域非線性介質 光孤子通信

一、引言

人們對孤子現象的研究最早應該追溯到1834年8月，當時蘇格蘭科學家Russell偶然在狹窄的河道中觀察到水的“孤立波”現象。1895年，荷蘭數學家Korteweg和他的學生對淺水波的運動進行研究，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。對于孤子領域的探索與研究可以使我們擴展對基本物理現象和原理的理解，世界上不少物理學家和數學家對之很感興趣，直到20世紀70年代，由于光纖通訊的發展，光孤子的研究與探索才引起了人們的普遍關注，其理論及其應用均取得了很大的進展，在光通信、光子信息處理、全光網絡等方面有著不可估量的廣泛的應用前景。

二、孤子的簡介

光孤子就其形成機制，可分為時間光孤子和空間光孤子，時間光孤子是因為光的群速度色散與非線性自相位調制相互平衡而形成的，由于其特有的一些性質，一直是通訊領域的研究熱點；而空間光孤子是因為光束的衍射效應與非線性效應相互平衡而形成的，由于其在全關開關，光路由，光子信息處理，光邏輯門等方面的潛在應用，自上世紀中后期已經成為了研究的熱門領域。

空間光孤子的種類繁多，內容非常豐富，按其直觀特性可以分為亮孤子、暗孤子、灰孤子三類。根據材料對光場響應的不同非線性機理，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，還可以根據其表現方式進行分類，這樣的分類方法不直接與具體的材料發生聯系，根據這種分類方法，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中的空間光孤子，所謂空間非局域非線性介質，指的是介質中一點對光場的非線性響應，不僅僅與該點的光場有關，而且與空間中其他點的光場有關，材料的空間非局域性起源于物質內對光場響應的單元的空間相關性，若材料的這種相關性為零，則為局域性材料。因此，根據光束束寬與介質非線性響應函數相關長度的相對尺度，通常可將非局域程度分為四大類：局域類、弱非局域類、一般性非局域類、強非局域類。空間光孤子的研究很長時間都局限在局域介質方面，孤子在這類介質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雜的逆散射法。1997年，Snyder和Mitchell對光束在強非局域介質中的傳輸做了杰出的貢獻，將復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域的一大熱點。

三、孤子的應用前景

因為時間光孤子的重要特性，所以在光孤子通信領域的前景巨大，光孤子通信是實現超長距離高速通信的重要手段，同時也被認為是第五代光纖通信系統。研究發現通過波分復用、偏振復用和正交偏振等技術可以使得光孤子系統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日趨成熟，光孤子傳輸系統會向著全光纖孤子傳輸方向發展，且因為暗孤子受光纖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方向。

有關空間光孤子的理論和實驗方面的研究都廣泛進行著，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中都發現了空間光孤子，其中向列相液晶和鉛玻璃則陸續被證明是強非局域非線性材料，成為了近十幾年來的研究焦點。對空間光孤子的研究不僅使得我們擴展了對基本物理現象與原理的理解，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，全光互聯，光路由以及全光邏輯光路等）方面有著廣泛的應用前景。在實現高速率、大容量全光網絡和光計算時，光子信息處理技術是必不可少的關鍵技術單元。而全光網絡和光計算機的關鍵是全光控制技術，空間光孤子理論則是全光控制技術的基礎原理之一，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。

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

四、結語

在物理學的發展史上，理論與實驗工作的結合往往會帶給研究者們新的發現，光孤子的研究正證實了這一點。雖然光孤子傳輸要真正實用化尚有許多問題需要解決，但隨著人們對光孤子認識的近一步加深以及相關科學技術的發展，光孤子的理論價值和實用價值將會進一步被挖掘出來。

參考文獻：

[1]谷超豪.孤子理論與應用.杭州：浙江科學技術出版社，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.