低開(kāi)關(guān)功率非線性環(huán)共振器全光開(kāi)關(guān)原理研究.pdf

1、為了解決目前通訊網(wǎng)絡(luò)中電子開(kāi)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量升級(jí)的瓶頸限制，人們開(kāi)始廣泛研究光開(kāi)關(guān)。較早研發(fā)的電控光開(kāi)關(guān)目前已有商用產(chǎn)品，但是這類開(kāi)關(guān)不能滿足未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)的要求，因此光控光開(kāi)關(guān)，即全光開(kāi)關(guān)，始終是人們研究的重點(diǎn)。全光開(kāi)關(guān)一般基于介質(zhì)的非線性光學(xué)特性，通過(guò)控制泵浦光或者信號(hào)光本身的功率來(lái)改變信號(hào)光的輸出狀態(tài)。目前已研發(fā)的全光開(kāi)關(guān)，一般都需要很大的開(kāi)關(guān)功率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)信號(hào)功率。特別是用純石英材料制備的全光開(kāi)關(guān)，由于其非線性系數(shù)極小，需要的開(kāi)關(guān)功率

2、更大。因此我們的研究圍繞著如何降低全光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)功率使之達(dá)到與信號(hào)功率同數(shù)量級(jí)而展開(kāi)。
　　本文提出用硅基的雙耦合器波導(dǎo)(包括光纖)環(huán)腔作為12×的全光開(kāi)關(guān)。利用耦合模方程，建立了考慮環(huán)腔損耗的各個(gè)端口光電場(chǎng)之間關(guān)系的方程，分析發(fā)現(xiàn)雙耦合器環(huán)共振器(DCRR)的損耗嚴(yán)重影響了開(kāi)關(guān)的工作，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)。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(bǔ)償環(huán)腔內(nèi)的損耗。

3、并針對(duì)雙耦合器環(huán)腔內(nèi)的克爾(Kerr)非線性，計(jì)算得出環(huán)腔的精細(xì)度、反射率和透射率及開(kāi)關(guān)功率。在補(bǔ)償損耗后，環(huán)腔的精細(xì)度被大大提高，同時(shí)環(huán)材料的光學(xué)非線性也被很大地提高(約5個(gè)數(shù)量級(jí))。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)功率與環(huán)腔的精細(xì)度和非線性折射率系數(shù)成反比。因此開(kāi)光功率被大大降低，可低達(dá)毫瓦量級(jí)。研究含有摻稀土光放大器的低開(kāi)關(guān)功率全光開(kāi)關(guān)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(gè)條件，所以具有光學(xué)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(shí)現(xiàn)光雙穩(wěn)性需要的開(kāi)關(guān)功率為1000瓦量級(jí)。用摻鉺光纖取代普通光纖并補(bǔ)償腔內(nèi)損耗，用數(shù)值模擬的方法，得出EDFA-RR雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)功率低5個(gè)數(shù)量級(jí)。并在放大器增益，耦合器反射率，環(huán)長(zhǎng)及環(huán)腔初相位等多個(gè)不同參數(shù)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(duì)未來(lái)的光纖環(huán)腔雙

5、穩(wěn)器件有著實(shí)際的指導(dǎo)意義。此器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間由環(huán)腔的壽命決定，我們計(jì)算得到的結(jié)果是低于20ns?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整980nm泵浦光功率來(lái)控制環(huán)腔的精細(xì)度，使得開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)功率，但是給器件結(jié)構(gòu)帶來(lái)了復(fù)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(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)功率還與光波導(dǎo)的橫截面積成正比，因此壓縮光波

6、導(dǎo)的橫向尺寸，從微米量級(jí)減至納米量級(jí)，也可大大降低光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)功率。在這種情況下不必進(jìn)行材料的摻雜，就可以使開(kāi)關(guān)功率降低到瓦量級(jí)。采用100微米環(huán)直徑，就可實(shí)現(xiàn)14瓦的開(kāi)關(guān)功率。而且環(huán)形光開(kāi)光器件環(huán)長(zhǎng)的減小對(duì)于提高光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度(降低開(kāi)關(guān)時(shí)間)有利。研究具有低開(kāi)關(guān)功率和高開(kāi)關(guān)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(huì)產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)，此效應(yīng)可強(qiáng)到把產(chǎn)生光克爾效應(yīng)的單光