摻鉺光纖耦合器及其在薩格奈克干涉儀光開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用.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)光的功率來(lái)改變信號(hào)光的輸出狀態(tài)。但是由于普通石英光纖的非線性系數(shù)很小，目前已研發(fā)的全光開(kāi)關(guān)，都需要很大的開(kāi)關(guān)功率。因此我們的研究圍繞著如何降低開(kāi)關(guān)功率而展開(kāi)。
　　在

2、980nm泵浦光作用下，C波段的信號(hào)光在摻鉺光纖放大器內(nèi)可得到很大的增益，根據(jù)Kramers-Kronig關(guān)系，獲得增益的同時(shí)，應(yīng)伴隨著依賴于泵浦光強(qiáng)的折射率變化，這種非線性光學(xué)現(xiàn)象被稱為共振非線性。
　　本文首先在理論上分析了摻鉺光纖的共振非線性。從光纖內(nèi)摻雜的鉺離子的能級(jí)躍遷出發(fā)，采用復(fù)極化率，推導(dǎo)出摻鉺光纖的非線性折射率和增益系數(shù)隨泵浦光功率變化的表達(dá)式，我們發(fā)現(xiàn)隨著泵浦光功率的增加，非線性折射率和增益系數(shù)都在迅速增加，且當(dāng)

3、泵浦功率較大時(shí)，二者增加變慢，最終達(dá)到飽和狀態(tài)。此外，我們對(duì)比了共振非線性和光克爾效應(yīng)，得出光克爾效應(yīng)是低功率下共振非線性的線性近似的結(jié)論，并計(jì)算了摻鉺光纖的非線性折射率系數(shù)。由于該數(shù)值比普通石英光纖高5個(gè)數(shù)量級(jí)，采用相同結(jié)構(gòu)，以摻鉺光纖代替普通光纖，有可能實(shí)現(xiàn)低閾值功率的全光開(kāi)關(guān)。
　　在對(duì)單根摻鉺光纖共振非線性分析的基礎(chǔ)上，我們系統(tǒng)研究了摻鉺光纖非線性耦合器。從耦合模式理論出發(fā)，采用復(fù)傳播常數(shù)，推導(dǎo)了摻鉺光纖非線性耦合器的輸出

4、功率耦合比。分別討論了泵浦光和信號(hào)光在摻鉺光纖耦合器內(nèi)的不同傳輸特性。對(duì)泵浦光，由于它的功率較大，分析中考慮了泵浦光的自相位調(diào)制特性。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于信號(hào)光分光比為3dB的耦合器，99％以上的980nm泵浦光在直通臂內(nèi)傳輸；分析信號(hào)光時(shí)，考慮到泵浦光引起的兩臂內(nèi)共振非線性的差異。數(shù)值模擬表明當(dāng)泵浦光功率從0增加到10mW時(shí)，直通臂輸出功率耦合比從50%增加到100%，泵浦光功率進(jìn)一步增加，輸出功率耦合比達(dá)到飽和。
　　此外我們對(duì)

5、摻鉺光纖耦合器的理論分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)優(yōu)化制作工藝和多次實(shí)驗(yàn)，首次利用熔融拉錐系統(tǒng)成功制作了直通臂分光比為57%的摻鉺光纖耦合器。同時(shí)輸入980nm泵浦光和1550nm信號(hào)光，將泵浦光功率從0增加到20mW，信號(hào)光直通臂耦合比由57%增加到96%，增加了40%，繼續(xù)增加泵浦光功率，耦合比趨于飽和。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了我們摻鉺光纖非線性耦合器理論分析的正確性。
　　由于摻鉺光纖耦合器輸出功率耦合比的變化

6、在50%左右，需要通過(guò)改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)完全的光開(kāi)關(guān)。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了具有摻鉺光纖耦合器的非線性Sagnac干涉儀型全光開(kāi)關(guān)，利用耦合模理論討論了其自泵浦和互泵浦兩種工作方式。Sagnac干涉儀是通過(guò)連接3dB耦合器的兩個(gè)輸出端構(gòu)成的，大部分研究者提出的Sagnac干涉儀光開(kāi)關(guān)是基于環(huán)內(nèi)克爾效應(yīng)的，我們稱其為第一類Sagnac干涉儀開(kāi)關(guān)。
　　我們提出的Sagnac干涉儀在互泵浦工作方式時(shí)，開(kāi)關(guān)通過(guò)980nm泵浦光改變耦合器的耦合比（從5

7、0%改變到100%）實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)功率為泵浦光功率，在毫瓦量級(jí)，開(kāi)關(guān)功率和環(huán)長(zhǎng)度乘積僅為0.01W·m，與第一類 Sagnac干涉儀開(kāi)關(guān)相比，該值減小了1000倍。當(dāng)其以自泵浦方式工作時(shí)，一方面980nm泵浦光產(chǎn)生耦合器耦合比差異，另一方面信號(hào)光功率被放大，環(huán)內(nèi)克爾非線性被增強(qiáng)，當(dāng)信號(hào)光功率增加到毫瓦量級(jí)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)功率和長(zhǎng)度環(huán)乘積可以達(dá)到0.02W·m。此外自泵浦工作方式中，可以通過(guò)改變980nm的泵浦光功率對(duì)信號(hào)光的開(kāi)關(guān)功率進(jìn)