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Lexikon der Optik

Soliton

Soliton, eine formstabile, d.h. ihre Gestalt während der Ausbreitung beibehaltende Welle. Ein S. wurde 1834 erstmals von J. Scott-Russel in Gestalt eines in einem Wasserkanal sich fortbewegenden Wasserbuckels beobachtet.

Mathematisch gesehen sind S. exakte Lösungen nichtlinearer Wellengleichungen wie der Korteweg-de Vries-Gleichung oder der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung. Die Formstabilität der S. kommt dadurch zustande, daß die zum Auseinanderfließen eines Impulses führende Dispersion (Frequenzabhängigkeit) der Ausbreitungsgeschwindigkeit durch einen gegenläufigen nichtlinearen Effekt gerade kompensiert wird. Optische S. lassen sich in Einmoden-Lichtwellenleitern erzeugen. Diese weisen eine Nichtlinearität in Gestalt einer intensitätsabhängigen Brechzahl auf. Die Folge davon ist eine Selbstphasenmodulation des Impulses (Selbstfokussierung). Der Impuls erhält dadurch einen chirp (chirping), und zwar wächst die Mittenfrequenz des Lichtes von der Vorder- zur Rückflanke. Wenn nun das Medium eine solche Dispersion der Gruppengeschwindigkeit besitzt, daß die höherfrequenten Anteile des Impulses schneller laufen als die niederfrequenten – bei normalen Glasfasern trifft dies für Wellenlängen oberhalb von 1,3 μm tatsächlich zu –, kann das Zusammenspiel von Selbstphasenmodulation und Dispersion dazu führen, daß die ursprüngliche Impulsform bei der Ausbreitung erhalten bleibt, also ein S. entsteht. Charakteristisch für ein S. ist, daß die Leistung P in der Spitze des Impulses, in Abhängigkeit von der Impulsdauer, einen ganz bestimmten Wert besitzen muß, weil nur dann die Nichtlinearität die erforderliche Größe hat. Die Leistung P wächst mit abnehmender Impulsdauer τ; typische Zahlenwerte sind z.B. P=400 mW für τ=10 ps und P=4 kW für τ=100 fs. Neben den ihre Form exakt beibehaltenden S., den fundamentalen S. gibt es noch S. höherer Ordnung N (N=2, 3, …). Bei ihnen sind die Leistungen um den Faktor N2 größer als bei dem fundamentalen S. gleicher Länge, und sie ändern periodisch ihre Gestalt (Abb.).

S. lassen sich in Glasfasern in sehr einfacher Weise dadurch erzeugen, daß man einen Lichtimpuls in eine Faser einkoppelt, dessen Energie zur Bildung eines S. ausreicht. Der einfallende Impuls entwickelt sich dann beim Durchlaufen der Faser von selbst zu einem S., wobei sich aus der überschüssigen Energie ein Restimpuls aufbaut, der wegen seiner geringen Leistung die Nichtlinearität nicht "spürt" und daher infolge der Dispersion auseinanderfließt. An S. von Subpikosekundendauer wurde dabei das Auftreten einer Frequenzverschiebung zu kleineren Werten hin beobachtet, die als Resultat einer durch Raman-Streuung bedingten Umwandlung der jeweils höherfrequenten Komponenten des S. in niederfrequente gedeutet wird. Diese Frequenzverschiebung führt zu einer frequenzmäßigen, und damit (aufgrund der Dispersion) auch zeitlichen Trennung von S. und Restimpuls am Faserende.

Vielversprechend erscheint die Nutzung von optischen S. für die Zwecke der Datenübertragung. Zu der hohen erreichbaren Bitrate kommt als weiterer Vorteil gegenüber den derzeitigen Verfahren der optischen Nachrichtenübertragung hinzu, daß man die bei langen Übertragungsstrecken infolge der Absorptionsverluste in der Faser erforderliche Regenerierung der Signalimpulse auf rein optischem Wege bewerkstelligen kann, so daß sich eine elektronische Rückwandlung der Signale in einem optischen Repeater erübrigt. Zu diesem Zweck koppelt man in gewissen Abständen kontinuierlich Laserlicht einer passenden kürzeren Wellenlänge in die Faser ein. Dieses Licht bewirkt eine Verstärkung der Signale infolge Raman-Streuung.



Soliton: Solitonen unterschiedlicher Ordnung N. I Intensität (bezogen auf das fundamentale Soliton N=1), z in der Faser durchlaufene Strecke.

  • Die Autoren
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