基于共振和Kerr非線性效應(yīng)全光邏輯門的研究.pdf

1、第二代網(wǎng)絡(luò)在傳送信息時(shí)存在電子瓶頸，而全光網(wǎng)絡(luò)能克服這個(gè)問題，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，具有傳輸信息容量大，質(zhì)量高，傳輸速率透明，較高的靈活性和可靠性等特點(diǎn)。未來(lái)光纖通信技術(shù)發(fā)展的最高階段無(wú)疑是全光網(wǎng)絡(luò)。全光開關(guān)作為全光通信技術(shù)、全光計(jì)算、全光通信傳輸系統(tǒng)等的關(guān)鍵元器件，能在光域上實(shí)現(xiàn)各種邏輯操作，無(wú)需光電轉(zhuǎn)換，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。
　　本文具體的研究成果和工作如下：
　　1．本文介紹了光纖中光脈沖在其中傳輸時(shí)的非線性方程，并推導(dǎo)了光

2、纖耦合器的耦合模方程。簡(jiǎn)單介紹了兩芯耦合器的結(jié)構(gòu)，討論了其開關(guān)特性。當(dāng)能量比較低的連續(xù)光入射到耦合器中時(shí)，可忽略其非線性，此時(shí)的狀態(tài)是線性的；當(dāng)能量比較高的連續(xù)光入射時(shí)，耦合器的工作狀態(tài)是非線性的，利用非線性耦合器可以做成全光開關(guān)。
　　2．本文研究了在摻鉺光纖耦合器中基于共振非線性效應(yīng)的全光邏輯門，共振非線性來(lái)源于鉺離子的能級(jí)躍遷，這與克爾非線性不同，克爾非線性效應(yīng)來(lái)源于三階極化率，共振非線性效應(yīng)比克爾非線性效應(yīng)更加顯著。對(duì)于摻

3、雜鉺離子的光纖來(lái)說(shuō)，當(dāng)波長(zhǎng)為980 nm的強(qiáng)泵浦光照射到上面時(shí)，泵浦光的光子就會(huì)被鉺離子吸收，從4 I15/2（基態(tài)）躍遷至4 I13/2（亞穩(wěn)態(tài)），導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，波長(zhǎng)為1550 nm的信號(hào)光被放大，傳播常數(shù)產(chǎn)生復(fù)數(shù)的變化，其實(shí)部與折射率的變化成正比，虛部與增益的變化成正比，并且兩者的變化都與泵浦的功率變化有關(guān)系。本文介紹了鉺離子的三能級(jí)模型圖，討論了共振非線性效應(yīng)產(chǎn)生的原理，并推導(dǎo)出基于共振非線性全光邏輯門的耦合模方程。在此基礎(chǔ)上進(jìn)

4、行MATLAB仿真研究。當(dāng)輸入初始相位相同的信號(hào)光時(shí)，在摻鉺光纖耦合器的纖芯中，信號(hào)光（波長(zhǎng)為1550 nm）與泵浦光（波長(zhǎng)為980 nm）通過(guò)波分復(fù)用器(WDM)同時(shí)入射進(jìn)入其中，而在纖芯中只有信號(hào)光。由于泵浦光的波長(zhǎng)明顯不同于信號(hào)光的波長(zhǎng)，泵浦光會(huì)保持在纖芯中，纖芯受泵浦光作用產(chǎn)生增益而纖芯不發(fā)生變化。由于共振非線性效應(yīng)，導(dǎo)致纖芯和中信號(hào)光相位發(fā)生改變，在輸出端口C和D實(shí)現(xiàn)開關(guān)轉(zhuǎn)換。通過(guò)改變泵浦光功率、輸入信號(hào)的不同功率組合，可以實(shí)

5、現(xiàn)不同的邏輯門。輸入初始相位不同的信號(hào)光即讓兩個(gè)輸入信號(hào)在開始入射時(shí)存在相位差，也可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。本文還仿真了泵浦光功率、信號(hào)光相位差和消光比三者之間的三維圖。研究表明，基于共振非線性效應(yīng)的全光邏輯門可以降低開關(guān)的閾值功率，所需泵浦光的功率可以下降到毫瓦量級(jí)，從而避免了對(duì)光纖造成損壞。
　　3．本文研究了基于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)的全光邏輯門。介紹了多種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)的原理，并分析比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。本文研究的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)是基于光纖交叉相位

6、調(diào)制(XPM)，利用光Kerr效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，并且為了降低所需泵浦光的功率，避免對(duì)光纖造成損壞，采用具有高非線性的三氧化二鉍光纖。被調(diào)制的泵浦光信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后，與弱連續(xù)光一起入射到適當(dāng)長(zhǎng)度的光纖中。泵浦光與弱連續(xù)光會(huì)產(chǎn)生交叉相位調(diào)制，導(dǎo)致弱連續(xù)光的輸出功率在兩波導(dǎo)間轉(zhuǎn)換，并且信號(hào)從泵浦光上轉(zhuǎn)移到弱連續(xù)光上，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。研究表明基于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的全光邏輯門具有比較高的開關(guān)對(duì)比度，更好的開關(guān)特性。
　　本文在前人研究光纖耦合器的開關(guān)