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

1、隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)信息的需求與日俱增，通信和網(wǎng)絡(luò)已滲透到人類社會(huì)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(jìn)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(shì)和業(yè)界共識(shí)。全光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建必然要求各種信號(hào)處理如波長(zhǎng)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(hào)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(shí)現(xiàn)，基于光學(xué)非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)處理具有響應(yīng)速度快，通信容量高等優(yōu)點(diǎn)，另一方面，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)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(hào)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(qiáng)度成正向?qū)?yīng)關(guān)系，微環(huán)諧振腔可以在增加光強(qiáng)的同時(shí)增加光與物質(zhì)相互作用時(shí)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(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，全光邏輯門，全光計(jì)算，全光UWB信號(hào)產(chǎn)生等全光信號(hào)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(dá)方程。簡(jiǎn)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(jì)是基于微環(huán)諧振腔實(shí)現(xiàn)的，在理論部分對(duì)微環(huán)諧振腔做了詳細(xì)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(duì)微環(huán)性能的評(píng)價(jià)參數(shù)做了解釋，著重對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)雙折射微環(huán)諧振腔的制作工藝提供了可能性的方案。進(jìn)一步擴(kuò)展方案于無諧振的彎曲波導(dǎo)用以實(shí)現(xiàn)寬帶寬的波長(zhǎng)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(shí)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(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)全光的XOR、XNOR、NOT邏輯操作的方案，接著又使用一個(gè)變形的馬赫-曾德爾

6、干涉儀(MZI)與微環(huán)諧振腔結(jié)合實(shí)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(shí)現(xiàn)半加，半減，全加，全減四種基本的邏輯計(jì)算，這里四種計(jì)算功能的切換依靠選擇不同的信號(hào)光輸入端口和輸入強(qiáng)度實(shí)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(hào)，需要對(duì)傳輸信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)的這一事實(shí)，提出使用全光的XOR邏輯操作來實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)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(shí)現(xiàn)超寬帶(UWB)脈沖的產(chǎn)生，采用兩環(huán)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)一階(Monocycle)和二階(Doublet)UWB信號(hào)產(chǎn)生，采用單個(gè)微環(huán)與MZI結(jié)合實(shí)現(xiàn)二階UWB信號(hào)脈沖產(chǎn)生。詳細(xì)討論了器件延時(shí)