基于共振和Kerr非線性效應全光邏輯門的研究.pdf

1、第二代網(wǎng)絡在傳送信息時存在電子瓶頸，而全光網(wǎng)絡能克服這個問題，減少網(wǎng)絡擁塞，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。未來光纖通信技術發(fā)展的最高階段無疑是全光網(wǎng)絡。全光開關作為全光通信技術、全光計算、全光通信傳輸系統(tǒng)等的關鍵元器件，能在光域上實現(xiàn)各種邏輯操作，無需光電轉(zhuǎn)換，成為近年來研究的熱點。
　　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的非線性方程，并推導了光

2、纖耦合器的耦合模方程。簡單介紹了兩芯耦合器的結構，討論了其開關特性。當能量比較低的連續(xù)光入射到耦合器中時，可忽略其非線性，此時的狀態(tài)是線性的；當能量比較高的連續(xù)光入射時，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。
　　2．本文研究了在摻鉺光纖耦合器中基于共振非線性效應的全光邏輯門，共振非線性來源于鉺離子的能級躍遷，這與克爾非線性不同，克爾非線性效應來源于三階極化率，共振非線性效應比克爾非線性效應更加顯著。對于摻

3、雜鉺離子的光纖來說，當波長為980 nm的強泵浦光照射到上面時，泵浦光的光子就會被鉺離子吸收，從4 I15/2（基態(tài)）躍遷至4 I13/2（亞穩(wěn)態(tài)），導致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，波長為1550 nm的信號光被放大，傳播常數(shù)產(chǎn)生復數(shù)的變化，其實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系。本文介紹了鉺離子的三能級模型圖，討論了共振非線性效應產(chǎn)生的原理，并推導出基于共振非線性全光邏輯門的耦合模方程。在此基礎上進

4、行MATLAB仿真研究。當輸入初始相位相同的信號光時，在摻鉺光纖耦合器的纖芯中，信號光（波長為1550 nm）與泵浦光（波長為980 nm）通過波分復用器(WDM)同時入射進入其中，而在纖芯中只有信號光。由于泵浦光的波長明顯不同于信號光的波長，泵浦光會保持在纖芯中，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，導致纖芯和中信號光相位發(fā)生改變，在輸出端口C和D實現(xiàn)開關轉(zhuǎn)換。通過改變泵浦光功率、輸入信號的不同功率組合，可以實

5、現(xiàn)不同的邏輯門。輸入初始相位不同的信號光即讓兩個輸入信號在開始入射時存在相位差，也可以實現(xiàn)開關功能。本文還仿真了泵浦光功率、信號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的全光邏輯門可以降低開關的閾值功率，所需泵浦光的功率可以下降到毫瓦量級，從而避免了對光纖造成損壞。
　　3．本文研究了基于波長轉(zhuǎn)換技術的全光邏輯門。介紹了多種波長轉(zhuǎn)換技術的原理，并分析比較了它們的優(yōu)缺點。本文研究的波長轉(zhuǎn)換技術是基于光纖交叉相位

6、調(diào)制(XPM)，利用光Kerr效應實現(xiàn)的，并且為了降低所需泵浦光的功率，避免對光纖造成損壞，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，經(jīng)過功率放大后，與弱連續(xù)光一起入射到適當長度的光纖中。泵浦光與弱連續(xù)光會產(chǎn)生交叉相位調(diào)制，導致弱連續(xù)光的輸出功率在兩波導間轉(zhuǎn)換，并且信號從泵浦光上轉(zhuǎn)移到弱連續(xù)光上，實現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換。研究表明基于波長轉(zhuǎn)換的全光邏輯門具有比較高的開關對比度，更好的開關特性。
　　本文在前人研究光纖耦合器的開關