基于AlGaAs光學(xué)非線性效應(yīng)的全光信號處理研究.pdf

1、隨著人類社會的發(fā)展，人們對信息的需求與日俱增，通信和網(wǎng)絡(luò)已滲透到人類社會的方方面面，各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展更進一步刺激著現(xiàn)有通信技術(shù)特別是光纖通信技術(shù)日新月異的發(fā)展?；谌夥绞浇粨Q數(shù)據(jù)和信息的全光網(wǎng)絡(luò)因有望解決傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)中光-電-光轉(zhuǎn)換的電子瓶頸問題而成為了光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢和業(yè)界共識。全光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建必然要求各種信號處理如波長轉(zhuǎn)換，碼型轉(zhuǎn)換，邏輯開關(guān)，路由選擇，3R再生等使用全光的方式完成。
　　全光信號處理可以通

2、過應(yīng)用特殊材料中的光學(xué)非線性效應(yīng)實現(xiàn)，基于光學(xué)非線性效應(yīng)實現(xiàn)全光信號處理具有響應(yīng)速度快，通信容量高等優(yōu)點，另一方面，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，光電子器件正向小型化，集成化方向發(fā)展。AlGaAs擁有豐富的二階、三階非線性效應(yīng)，易于與其它半導(dǎo)體光器件集成，工藝成熟，成為了制作全光信號處理器件的理想材料。在非線性的應(yīng)用中，非線性的轉(zhuǎn)換效率與器件中的光強度成正向?qū)?yīng)關(guān)系，微環(huán)諧振腔可以在增加光強的同時增加光與物質(zhì)相互作用時間，這可以提高非線性的轉(zhuǎn)換

3、效率。本論文應(yīng)用AlGaAs中的二階、三階非線性效應(yīng)與微環(huán)諧振腔結(jié)合實現(xiàn)全光波長轉(zhuǎn)換，全光邏輯門，全光計算，全光UWB信號產(chǎn)生等全光信號處理，其主要內(nèi)容概括如下：
　　(1)在介紹了AlGaAs的材料及光學(xué)非線性特性的基礎(chǔ)上，從麥?zhǔn)戏匠坛霭l(fā)推導(dǎo)了其非線性效應(yīng)表達方程。簡要分析了當(dāng)前各向同性介質(zhì)中二階非線性效應(yīng)相位匹配的方法。鑒于本論文中大多數(shù)器件的設(shè)計是基于微環(huán)諧振腔實現(xiàn)的，在理論部分對微環(huán)諧振腔做了詳細介紹，推導(dǎo)了穩(wěn)態(tài)情況下微環(huán)

4、的傳輸函數(shù)及其他相關(guān)函數(shù)，對微環(huán)性能的評價參數(shù)做了解釋，著重對微環(huán)諧振腔的相位傳輸特性做了討論，分析了不同耦合系數(shù)下的相移特性以及振幅變化規(guī)律，最后介紹了AlGaAs器件的一般制作工藝。
　　(2)基于非線性極化產(chǎn)生的過程，理論推導(dǎo)了角度準(zhǔn)相位匹配(AQPM)的匹配條件。為了解決AlGaAs彎曲波導(dǎo)中的角度準(zhǔn)相位匹配時彎曲半徑過小的困難，這里引入了形式雙折射，通過把形式雙折射與角度準(zhǔn)相位匹配結(jié)合在微環(huán)諧振腔中實現(xiàn)有效的倍頻產(chǎn)生(S

5、HG)。分析了耦合系數(shù)，波導(dǎo)損耗，輸入功率，微環(huán)Q因子等對轉(zhuǎn)換效率的影響，給出了各種條件下的理論轉(zhuǎn)換效率，并對雙折射微環(huán)諧振腔的制作工藝提供了可能性的方案。進一步擴展方案于無諧振的彎曲波導(dǎo)用以實現(xiàn)寬帶寬的波長轉(zhuǎn)換。
　　(3)把AlGaAs中的交叉相位調(diào)制(XPM)與微環(huán)諧振腔結(jié)合以實現(xiàn)小功率輸入情況下的大相位調(diào)制，在此基礎(chǔ)上提出了基于微環(huán)諧振腔級聯(lián)實現(xiàn)全光的XOR、XNOR、NOT邏輯操作的方案，接著又使用一個變形的馬赫-曾德爾

6、干涉儀(MZI)與微環(huán)諧振腔結(jié)合實現(xiàn)了AND、NAND、OR、NOR、NOT、XOR和XNOR全部七種基本邏輯操作。在此基礎(chǔ)上，提出用AlGaAs微環(huán)諧振腔與波導(dǎo)結(jié)合的單一器件實現(xiàn)半加，半減，全加，全減四種基本的邏輯計算，這里四種計算功能的切換依靠選擇不同的信號光輸入端口和輸入強度實現(xiàn)。
　　(4)DPSK碼型在光通信中已經(jīng)大量使用，DPSK碼若要正確傳輸信號，需要對傳輸信息進行預(yù)編碼。傳統(tǒng)的DPSK預(yù)編碼是在電域中完成的，本論文

7、基于DPSK預(yù)編碼是依靠XOR邏輯操作來實現(xiàn)的這一事實，提出使用全光的XOR邏輯操作來實現(xiàn)光域內(nèi)的DPSK預(yù)編碼過程。
　　(5)在討論了利用AlGaAs微環(huán)諧振腔中的XPM實現(xiàn)對探測光相位大范圍調(diào)制的基礎(chǔ)上，提出把微環(huán)諧振腔與馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)合實現(xiàn)超寬帶(UWB)脈沖的產(chǎn)生，采用兩環(huán)級聯(lián)實現(xiàn)一階(Monocycle)和二階(Doublet)UWB信號產(chǎn)生，采用單個微環(huán)與MZI結(jié)合實現(xiàn)二階UWB信號脈沖產(chǎn)生。詳細討論了器件延時