“光孤子”、“光学频率梳” 在光纤通信中的应用

徐长发，华中科技大学， 2019.10.10

在光纤通信中，光纤的色散性能会使得传输的光信号不断衰减，需要中继器延长光信号的传输距离。科技工作者从水的孤立波现象得到启发，是否存在“光的孤立波”呢？如果存在的话，光信号在光纤中的传播距离会更远，传播效率会更高，信号传输也会更安全。

一．什么是光孤子

1834年，科学家曾经发现过水存在孤波现象。在一条窄河道中，迅速拉一条船前进一定距离后停下，在船头形成的一个孤立的水波会迅速离开船头，以每小时14～15km的速度前进，而波的形状不变，前进了2～3km才消失。这种水波性质很特别，被命名为“孤立波”。

后来，科学家们又发现了声音、电、光也存在孤立波现象，分别称为声孤子、电孤子和光孤子，这种现象的主要特点是，在较长一段时间的传播过程中，波的形状、幅度和速度都维持不变，当它与同类波碰撞后也能维持其幅度、形状和速度不变。

“孤立波”这种特殊的性质，使得它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学和非线性光学中得到了有价值的应用。

二．光孤子光纤通信的特点和意义

科学家们设想，利用光孤子做光纤通信，一定能够实现超长距离、高速率通信的目标，这是光纤通信所追求的目标，这被认为是第五代光纤通信的目标。

利用光孤子做光纤通信的基本结构仍然和一般的光纤通信类似，即：

在发送端利用“光孤子”作为载波去调制光信号；

中途利用光纤传送调制光信号，不需要中继器；

在接收端利用分波器解调。

光孤子光纤通信应该具有以下长处：

（1）容量大，传输速度快，一般可达20Gb/s，最高可达100Gb/s以上；

（2）误码率低、抗干扰能力强，光孤子在传输过程中保持不变，信号衰减少，这会保证光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信；

（3）可以不用中继站，光信号可以传输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。  

三．光孤子发生器

实验能够证明光孤子是存在的，人们从理论上分析研究认为，光孤子的形成机理主要是下面两个方面的原因：

一方面，光脉冲沿着光纤传播时，由于光纤本身存在的色散现象，光脉冲的宽度会变大，传输距离越远展宽现象越明显；由于展宽后的信息如果分成几个部分去看，各部分的传播速度会不同，于是导致所传输的信息畸变失真。

另一方面，光纤的折射率存在把光脉冲压缩的能力。

因此，如果要求光脉冲在光纤中像光孤子那样传输，是会与几个因素有关的：

①与光纤的色散率和折射率有关，不同性能的光纤对脉冲的变形效果不同；

②与光脉冲的形状有关，要求光脉冲的宽度、强度即使在传输过程中有微量变形，也不会引起信号失真；

③与脉冲的时间间隔有关，脉冲串在传输过程中，一定存在一些相互影响，影响不能太大。

想在实际应用上实现光孤子传输，要把那么多因素统一起来，太困难了。

为了实现光孤子长距离光纤通信，研究者们做了许多研究和实验，认为不能把光孤子太理想化太单一化，也可以把光孤子看着是一串脉冲的传输效果，于是人们想到了“光学频率梳”（下面进一步介绍），把“光学频率梳”整体看着“光孤子”，用“光学频率梳”做载波在光纤中传输，效果会如何？

最近的研究结果是令人鼓舞的。

值得一提的是，德国卡尔斯鲁厄理工学院，光子与量子电子学研究所、微结构技术研究所，以及瑞士洛桑联邦理工学院光子和量子测量实验室的研究人员组成了研究小组，在芯片上，采用了光学氮化硅微谐振器，制造出宽带光学频率梳，用两个叠加的频率梳做载波，可在179个波长通道上，进行大规模并行数据传输，完全覆盖了光通信的C和L波段，数据传输速率超过50Tbps，传输距离达75千米。

这项研究表明：

①它的信道宽，能满足50亿个手机或者200万台高清电视的通信。目前为此，这是使用芯片形式的频率梳所达到的最高数据速率；

②它在芯片上制造出宽带光学频率梳，且具有小型化特点；

③这种微谐振器光孤子频率梳，对于改善光通信领域的波分复用（WDM）技术，也很有帮助，不仅可以用于发射端，还可以用于接收端。

四．什么是飞秒光学频率梳

什么是“光学频率梳”？它是由一串瞬时光脉冲组成的，如下图所示，各个脉冲是由若干个快速震荡的谐波组成的，各个脉冲有着各自不同的中心频率，有很窄的宽度，有一定的能量强度；把这些脉冲按照频率由低到高排成一串，相邻脉冲之间是等频率间隔的，形状像日常所用的梳子；相邻脉冲的谐波之间有相位差；这串脉冲整体称为“光学频率梳”，这串脉冲整体可看着是一个特殊的脉冲，它可作为“光孤子”使用。

“光学频率梳”怎么生成？这里只从原理方面做粗略的说明。

先看生成激光脉冲的一种办法。

把2个相位相同、频率不同的波叠加，就会产生所谓的拍频（干涉）现象；愈多条相位相同、频率不同的波叠加时，产生的拍频也就愈短，尖峰的强度也愈大；取出其中的一个周期表现，其中就含有若干个不同频率的脉冲。

把3个相位相同、频率不同的波相加，就会产生6个不同频率的脉冲。

把5个相位相同、频率不同的波相加，可产生20个最细小的脉冲。

再理解什么是“飞秒光学频率梳”？整个光学频率梳的持续时间是几个飞秒。因为1 飞秒等于   秒，若换算成比较容易理解的时间概念，1 秒跟 1 飞秒的比例大约相当于 3 千万年跟 1 秒的比例。

五．“光学频率梳”有什么用处

光学频率梳就像是一把拥有精密刻度的光尺，它有三个“标志”；一是光梳有固定的波长，用波长为单位去测量长度可以达到纳米级精度；二是每段光梳是有时间长度的，或者说光梳波长的传播是标准时间的，用光梳测量时间可以达到“飞秒”级精度；三是光梳的梳齿有固定的频率，对测量物体的频率也是高精度的。

正是因为“飞秒光学频率梳”在精密测量方面起着重要的作用，所以这种发明在2005年获得了诺贝尔奖。

1983年,国际计量大会定义长度单位米为光在真空中行进1/299792458秒的距离,这个定义以光速做标准，把长度(米)单位和时间(秒)单位统一起来。也就是说，用光学频率梳做标准，可以直接测量长度和时间。

光学原子钟。光学原子钟是迄今为止，人类制造的最精确的时钟，它的精度已经在量级上超过了1967年来一直作为标准的微波原子钟。光学原子钟将用于空间导航、卫星通信、基础物理等方面的超高精度检测。

光学测频仪。利用飞秒光学频率梳可以精确地测量出固态、液态、气态物质的频谱，利用各种频谱做成频谱库。因为每种物质都有自身独特的频谱，就像人的指纹谱或基因谱一样，所以用飞秒光学频率梳做成频谱仪，能够识别各种不同物质。例如，让安检人员更快捷的识别爆炸物、危险病原体等有害物质。例如通过检测病人呼出的气体的化学成分，医生可以用来诊断疾病。    

激光雷达。把光学频率梳产生的特定波形的激光，用于雷达去测定目标的位置、速度和性质，有望将雷达的灵敏度和探测范围提高几个数量级。

分析分子和原子的运动。利用“飞秒光学频率梳”可以看到更快速、更微妙的运动，像绿色植物的光合作用过程、细胞的分裂过程、电子围绕原子运动的过程等等。

“飞秒光学频率梳”是目前最紧密的测量手段。应用前途甚广，是目前的热门研究课题。

长途光纤通信。用飞秒光学频率梳作为“光孤子”，承载信息使用单根光纤通信，可以使传输的信号量和传输速度增加好几个数量级，各通道之间的干扰也将减少，通信安全。

总之，“飞秒光学频率梳”已经成为研究热点，目前已经研制出多种产生“光学频率梳”的方法和装置。一般的小型的半导体“飞秒光学频率梳”测量仪在市场就有出售的。但在光纤通信中，“光学频率梳”作为最有发展前途的载波工具，还需在基础理论方面和实用器件方面进一步深化，不过，现在的研究成果已经离实用不远了。

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