低開關功率非線性環(huán)共振器全光開關原理研究.pdf

1、為了解決目前通訊網絡中電子開關對網絡容量升級的瓶頸限制，人們開始廣泛研究光開關。較早研發(fā)的電控光開關目前已有商用產品，但是這類開關不能滿足未來全光網絡的要求，因此光控光開關，即全光開關，始終是人們研究的重點。全光開關一般基于介質的非線性光學特性，通過控制泵浦光或者信號光本身的功率來改變信號光的輸出狀態(tài)。目前已研發(fā)的全光開關，一般都需要很大的開關功率，遠遠超過信號功率。特別是用純石英材料制備的全光開關，由于其非線性系數極小，需要的開關功率

2、更大。因此我們的研究圍繞著如何降低全光開關的開關功率使之達到與信號功率同數量級而展開。
　　本文提出用硅基的雙耦合器波導(包括光纖)環(huán)腔作為12×的全光開關。利用耦合模方程，建立了考慮環(huán)腔損耗的各個端口光電場之間關系的方程，分析發(fā)現(xiàn)雙耦合器環(huán)共振器(DCRR)的損耗嚴重影響了開關的工作，甚至無法實現(xiàn)開關。因此我們提出將環(huán)腔的一臂用摻鉺光纖(EDF)代替，在980nm泵浦光作用下形成摻鉺光纖放大器(EDFA)，用以補償環(huán)腔內的損耗。

3、并針對雙耦合器環(huán)腔內的克爾(Kerr)非線性，計算得出環(huán)腔的精細度、反射率和透射率及開關功率。在補償損耗后，環(huán)腔的精細度被大大提高，同時環(huán)材料的光學非線性也被很大地提高(約5個數量級)。因為開關功率與環(huán)腔的精細度和非線性折射率系數成反比。因此開光功率被大大降低，可低達毫瓦量級。研究含有摻稀土光放大器的低開關功率全光開關是我們的創(chuàng)新研究的成果之一。
　　雙耦合器環(huán)共振腔由于具備了非線性和反饋兩個條件，所以具有光學雙穩(wěn)特性。我們系統(tǒng)研

4、究了含EDFA的雙耦合器環(huán)共振腔的反射雙穩(wěn)和透射雙穩(wěn)特性。普通光纖環(huán)腔，實現(xiàn)光雙穩(wěn)性需要的開關功率為1000瓦量級。用摻鉺光纖取代普通光纖并補償腔內損耗，用數值模擬的方法，得出EDFA-RR雙穩(wěn)開關的開關功率大約是60毫瓦，比普通光纖環(huán)形諧振腔(即不含EDFA的光纖環(huán)腔)雙穩(wěn)開關功率低5個數量級。并在放大器增益，耦合器反射率，環(huán)長及環(huán)腔初相位等多個不同參數情況下，給出了雙耦合器環(huán)形共振腔的光雙穩(wěn)特性曲線。我們的理論分析對未來的光纖環(huán)腔雙

5、穩(wěn)器件有著實際的指導意義。此器件的開關時間由環(huán)腔的壽命決定，我們計算得到的結果是低于20ns?？梢酝ㄟ^調整980nm泵浦光功率來控制環(huán)腔的精細度，使得開關時間和開關功率得到優(yōu)化。研究含光放大器的雙耦合器環(huán)腔的光雙穩(wěn)開關特性是我們的創(chuàng)新成果之二。
　　摻餌光纖放大器的引入固然可以降低開關功率，但是給器件結構帶來了復雜化，而且摻餌光纖的吸收比普通光纖的吸收大得多。我們的研究表明，光開關的開關功率還與光波導的橫截面積成正比，因此壓縮光波

6、導的橫向尺寸，從微米量級減至納米量級，也可大大降低光開關的開關功率。在這種情況下不必進行材料的摻雜，就可以使開關功率降低到瓦量級。采用100微米環(huán)直徑，就可實現(xiàn)14瓦的開關功率。而且環(huán)形光開光器件環(huán)長的減小對于提高光開關的開關速度(降低開關時間)有利。研究具有低開關功率和高開關速度的納米尺寸的微型環(huán)腔是我們的有創(chuàng)新性的研究成果之三。
　　硅材料在超短脈沖(飛秒)激光的作用下，會產生雙光子吸收效應，此效應可強到把產生光克爾效應的單光