（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于光纖中非線性效應(yīng)的全光邏輯門研究.pdf

浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于光纖中非線性效應(yīng)的全光邏輯門研究 摘要 光邏輯器件在光存儲(chǔ) 光計(jì)算 光交換及光網(wǎng)絡(luò)中具有廣泛的應(yīng)用 響應(yīng)速度是光邏 輯器件的重要性能指標(biāo) 目前 國內(nèi)外研究重點(diǎn)主要集中在利用半導(dǎo)體光放大器 s o a 的 非線性特性實(shí)現(xiàn)光邏輯門 但受到載流子增益恢復(fù)速率的限制 基于s o a 的光邏輯門響 應(yīng)速率僅幾十g 6 f 珧 而高非線性光纖因其具備響應(yīng)速度快 所需輸入功率低 工作效率 高 功耗小及良好的非線性特性等優(yōu)點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)的光邏輯門可以達(dá)到t 6 觚的超快響應(yīng) 因 此高非線性光纖很適合用來制作全光邏輯器件 本文以光脈沖在非線性光纖中的傳輸方程為出發(fā)點(diǎn) 對(duì)光纖中的非線性效應(yīng)進(jìn)行了理 論分析 并數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)仿真了幾種全光邏輯門 具體工作如下 1 在查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上 闡述了全光邏輯門的研究背景和意義 概括了全光邏 輯門的研究現(xiàn)狀和實(shí)現(xiàn)方案 并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具體條件 選取了基于光纖中非線性效應(yīng)的全 光邏輯門作為研究對(duì)象 2 從非線性薛定諤方程出發(fā) 探討了光纖中的自相位調(diào)制 交叉相位調(diào)制等幾種非線 性效應(yīng)對(duì)光脈沖在光纖介質(zhì)中傳輸時(shí)的影響 3 研究了基于光纖中交叉相位調(diào)制效應(yīng)的全光邏輯 與門 分析了這種方案的工作 原理 利用m a n a b 軟件編程 進(jìn)行數(shù)值模擬 得到了1 0 g 6 脅高斯脈沖邏輯 與 運(yùn)算過程 探討了各種參數(shù)對(duì)邏輯運(yùn)算結(jié)果的影響 使用o p t i s y s t 洲1 0 g 6 觸全光邏輯 與門 進(jìn)行 了仿真驗(yàn)證 仿真結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相一致 通過分析仿真結(jié)果 提出一種基于光纖中 自相位調(diào)制效應(yīng)的全光邏輯 與門 優(yōu)化方案 4 研究了基于光纖中交叉相位調(diào)制效應(yīng)的全光邏輯 異或門 分析了這種方案的工 作原理 利用m a t l a b 軟件編程 進(jìn)行數(shù)值模擬 得到了1 0 g 6 f 如全光邏輯 異或門 的工作 過程 使用o p t i s y s t e m 仿真驗(yàn)證了1 0 g 6 脅全光邏輯 異或門 仿真結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果 相一致 通過分析仿真結(jié)果 提出了基于s p m 光開關(guān)和克爾開關(guān)抑制邏輯 異或門 殘留 余峰的方法 最后提出了一種基于光纖中交叉相位調(diào)制效應(yīng)的重構(gòu) 或門 實(shí)現(xiàn)方案 仿真得到了l o g 6 脅全光邏輯 或門 信號(hào) 并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析 關(guān)鍵詞 全光邏輯門 高非線性光纖 交叉相位調(diào)制 自相位調(diào)制 非線性效應(yīng) i 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 r e s e a r c ho fa l l o p t i c a ll o g i cg a t e s b a s e do nn o n l i n e a re f f e c t so ff i b e r a b s t r a c t n ec 枷c a l l o 百cg 如l 粥a i d e s p 他a da p p l i c a t i o ni nt l l eo p t i c 甜咖m g e o p t i c a l l c u l a t i o 瑪o p t i c a ls w i t c h 卸da j l9 砸c a ln e t v o f i s r e s p o n d i n gs p e e di st h eo n eo ft l l ei m p on a n t p e r f 0 m 嫩蛾 p a r a m e t e r so fi o g i cg a t e a tp r 懿e n t t h e 他 a r c hb o t l la th o m e 鋤da b r o a di nm e f i e l do f 陀址i z i n g0 p t i c a ll o g i cg a t ei s m a i j l l yf o c u s e do n 吣i i l gt l l ep e r f 0 徹卸c eo fn o m i n e 盯 c h a r a c t e 墻o fs o a s i n c er c s p o i l d i n gs p l e e do ft 1 1 i sl i n do fo 砸c a jl o g i cg a t eb 筋e do ns o a o i l l y 心a c h 仕屺m a 鰣t i j d eo fg b i 仇l 砌t e db yt h eg a i n 嗽o v e 口v e l 0 c 時(shí)o fc a r r i e r h i g l l l yn o r i l i n e a r 覷 貿(mào)p o s 辯s sm 鋤y1 1 i l i q 妣a d v 鋤a g c s 馳c h 勰h i g hs p e e d l o wp c w 盯c o n 馴m 幽o n l l i g l l e 墑c i 翎c y 9 0 0 dn o i d i n e 盯c h 觚l c t 嘶s t i c s 鯽d o n t h ea l l l 一0 p t i c 以l o 百cg a t eb 觴e d0 n 廿1 e n o 川i n e 撕t i e so f 叩t i c a lf i b e r sh 勰t 1 1 ep o t e n t i a lo fo p e r a t i n ga tt e r a b i t sp e rs e c o n d w h i c hm a l ei t ag 昀n gc a l l d i d a t et or e a l i 弱觸l o p t i c a ll o g i cd e v i c e s t l l i s p a p e rp 陀s e n t st h e 血e o r c t i c a l 觚de x p 嘶m e n t 越r e s e a r c h e so na l l o 面c 甜l o g i c o p e m t i o no nn o l l l i n e 缸e 毹c t so f 五b e r s e 呦ll i i l d so f 甜l o 皿c a ll o g i cg a t e s 撇n u m e r i c a l 鋤a j y z e d 觚ds i l l l l l l a t e d t h ci m i i lc o n t 蜘t sa 他l i s t e d 觴f o l i o w s 1 t h er e s e 融b a c k g r 0 蚰d 如ds i 鰣f i c a t i o no fa l l o p t i 謝l o 畫cg a t e si si l l 廿0 d u c e d t h e p r i r n a 叮t c 捌c a l l u 石 璐f 0 r 址l o p t i c a ll o g i ca 陀他v i e w e d a c c o r d i n gt 0o u re x p e r i m e n t a l c o n d i t i o 粥 a j l o 砸c 甜l o g i cg a t e sb 硒c d0 n 恤n 0 i l l i n e 盯e 行e c t so ff i b e ra 他c 0 璐i d e 他dt 0b e s 加d i e d 2 s t a r t i n gf 如mt l l en o n l i n e a rs c h r o d i n g e re q u a t i o na 他d i s c u s s e di nt 1 1 e6 b e r l f p h a s e m o d u l a t i o i l c r o s s p h 弱em o d u l a t i o n o p t i c 引p u l o fs c v e r a ln o n l i n e a re f r c c t si i io p t i c 以f i b e r t r 孤s m i s s i o nm e d i 啪i m p a c t 3 a s c h e m ef o ra l l 叩t i c a ll o g i ca n dg a t eb 弱e do nx p me f 艷c to ff i b e ri s i n v e s t i g a t e d u s i n gm a t l a bs o 行愀p r 0 田銣砌i n g al0g b i t sa n dg a t ei sr e a l i z e db yn 啪e r i c a js i m u i a t i o n s o m ek e yf a c t o 璐w 址c hi n n u e n c eo u t p u tp e r f o r m a n c ea r ea l s os t u d i e d t h el0 g b i t sa l i o p t i c 2 l l l o g i ca n dg a t es i m u l a t i o n 測e do u tb yu s i n go p t i s y s t e m t h e r ei sag o o da g r e e m e n tb e t w e e n t l l e o r e t i c a ja n de x p e r i m e n t a l 陀s u l t s f i n 越l yt 1 1 ep a p e rp r o p o s e s 如i m p r 0 v e m e n tp r o 伊鋤b 嬲e d i i 一 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 二 二二 一一一 o ns e l f p h 弱em o d u l a t i s p m o f f i b e r p e 響肌撇o fm es y s t 鋤i so p t i m i z e d 4 a h e m ef o ra l i o p t i c a ll o g i cx o rg a t cb a s e d x p me 疵c to f 舳盯i s 衲e s t i g a t e d u s i n gm a t l a b m a 他p m 鏟a m m i i l g al0g b i 以x o r g a t ei sr e a l i z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h elo g b i t sa l i o p t i c a ll o g i cx o r g a t es i m u l 撕傭c a r r i e do mb yu s i n go 塒s y s t e m t l l e r ei sa 9 0 0 da 伊 m e n tb e 似 e 饑也e o r 礬c a la n de x p e r i m 如t a lr c 跚i t s a c c o r d i n gt 0t l l es i m u l a t er e s u l t s t f l ep a p l e rp r o p 0 st ol m p r o v e m e n tp r o 爭a m sb a d0 ns e l f 二p h a m o d u l a t i o n s p m o f 舳e r a n d 凡射s h 刪盼 b a t em ep ea i s 鋤dp e r f 0 肌鋤c eo ft l l es y s t e mi so p t i m i 跫d f i 艙l l yas c h e m e f o ra l l 一0 p t i c a ll o g i co r g a t eb a s e d0 n me 融to 硒b c ri si n v e s t i g a t e d a10g b i t sa 1 1 o p t i c a l l o 西co rg a t es i 驢a l sh 弱b ns i i l l u l a t e d 鋤dm es i i i l u l 撕o n 陀s u l t sa r e 觚a l v 髓d k e yw o r d s 甜l o 砸c ml o 百cg a t e l l i 蒯yn 砌i 1 1 哪f i b 啪s s p h 墩m o d u l a t i o n l f p h a 鼬m o d u l 撕o l l n 0 1 1 l i i l e 盯e f f e c t 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 本課題研究意義 人類社會(huì)進(jìn)入2 0 世紀(jì)9 0 年代以來 信息技術(shù)革命的步伐大大加快 9 0 年代后期 隨 著i n t e m e t 應(yīng)用的普及和深化 各種高新技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門和社會(huì)活動(dòng)各領(lǐng) 域 使現(xiàn)代社會(huì)的信息愈來愈豐富 信息量愈來愈大 網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)重心已從傳統(tǒng)的語音業(yè) 務(wù) 轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù) 圖像 多媒體 可視電話 高清晰度電視 遠(yuǎn)程教育和醫(yī)療 家庭辦公 等各種增值業(yè)務(wù)和智能業(yè)務(wù)為代表的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 隨著人類社會(huì)信息化速率的加快 對(duì) 通信的需求呈高速增長的趨勢(shì) 對(duì)現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和容量以及覆蓋范圍也提出了 新的要求 卜4 l 隨著光纖傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展 光傳輸己成為傳輸領(lǐng)域中的主導(dǎo)技術(shù) 光纖以其巨大 的帶寬資源和高抗干擾等優(yōu)異的傳輸性能 而成為高速率大容量長距離通信網(wǎng)絡(luò)的最理想 的傳輸媒質(zhì) 近年來波分復(fù)用技術(shù)的大量應(yīng)用 使光傳輸速率已在向每秒太比特的數(shù)量級(jí) 進(jìn)軍 目前用于光通信的光載波頻率的數(shù)量級(jí)大約在1 0 1 4 而光纖自身的理論帶寬可達(dá)到 l 珊以上 因此光纖的傳輸能力大部分尚未開發(fā) 限制光纖通信發(fā)展的因素有 電端機(jī)中 電子器件響應(yīng)速度的限制 通信模式的限制和光纖非線性的限制等 5 1 在以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中 交換系統(tǒng)中負(fù)責(zé)信息交換的各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須要 進(jìn)行光 電 光的信號(hào)轉(zhuǎn)換 而電子器件的響應(yīng)速度 在幾個(gè)g 6 脅以下 已經(jīng)接近了電子速 率的極限 給交換系統(tǒng)帶來了壓力 難以完成高速率大容量寬帶綜合業(yè)務(wù)的傳輸和交換 出現(xiàn)的 電子瓶頸 嚴(yán)重阻礙了高速通信網(wǎng)的發(fā)展l l 除此之外 在光纖作為線性波導(dǎo)介 質(zhì)而工作的現(xiàn)行通信體制下 光纖的任何非線性效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致光纖傳輸特性的惡化 嚴(yán)重 影響通信系統(tǒng)的傳輸性能 使信噪比降低 信號(hào)失真等 然而 理論和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明 光 纖中的多數(shù)非線性效應(yīng)都可用來改進(jìn)通信的質(zhì)量 具有進(jìn)一步挖掘的潛力 5 1 因此 高速通信網(wǎng)絡(luò)必將走向下一代 在走向下一代的進(jìn)程中已經(jīng)呈現(xiàn)出m 化 光 纖化 無線化和智能化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 其中光纖化是指從網(wǎng)絡(luò)核心一直到用戶端 采用 全光傳輸方式 在傳送層面形成一個(gè)光纖世界 信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)傳輸和路由交換時(shí) 始終以光 的形式存在 避免了光 電 光轉(zhuǎn)換 具有較好的透明性 存活性 波長路由特性 可重構(gòu) 性 可擴(kuò)展性和對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性 6 l 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 全光網(wǎng)絡(luò)要在傳輸系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信息在光域的傳送和交換功能 其所使用的系統(tǒng)設(shè)備 必須也是由光的有源或無源器件組成的全光設(shè)備 目前全光網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍還很小 對(duì)真 正網(wǎng)絡(luò)全光化的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段1 7 l 光開關(guān)陣列 光交換器件 光波長轉(zhuǎn)換器 光 編碼 解碼器 光判決 光再生 光計(jì)算 光邏輯和光存儲(chǔ)器件等新型光無源器件 是組 建全光網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備嗍 而全光邏輯門直接在光域上實(shí)現(xiàn)各種邏輯操作 如 x o r o r n o r a n d 等 是全光計(jì)算 全光通信傳輸系統(tǒng)和集成光路所需的關(guān)鍵元件 全 光邏輯門在交換節(jié)點(diǎn)的很多功能單元中 有著重要的作用 如分組頭處理 凈荷定位 時(shí) 鐘提取 信號(hào)再生 光分組路由 光判決以及光信號(hào)編碼等 9 l 川 利用全光邏輯門 我們還能夠?qū)崿F(xiàn)光計(jì)算和全光數(shù)據(jù)交換 全光網(wǎng)中的尋址 解復(fù)用 標(biāo)簽交換 數(shù)據(jù)編碼 奇偶校驗(yàn)等等 是全光網(wǎng)的重要組成部分 具有積極的研究意義 i 4 1 近年來 全光邏輯器件技術(shù)逐漸受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注 并取得了一定的研究 進(jìn)展 但是由于構(gòu)成全光邏輯門的各種非線性材料成本較高 光邏輯器件尚不成熟 實(shí)現(xiàn) 的全光邏輯器件功能還很簡單 尚不能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜邏輯功能的處理 全光邏輯門的研究仍 然停留在實(shí)驗(yàn)室階段 國際上現(xiàn)有的光分組交換單元依然由電子器件控制 速度受到限制 所以 發(fā)展高速全光網(wǎng)絡(luò) 全光邏輯門要取代電控邏輯門 實(shí)現(xiàn)光控光交換 向著實(shí)用化 發(fā)展 真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的光纖化 還有一定距副引 1 2 國內(nèi)外對(duì)全光邏輯門的研究狀況 全光邏輯門作為全光網(wǎng)中光分組交換 全光再生 光計(jì)算 光傳輸?shù)确矫娴年P(guān)鍵器件 對(duì)全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有十分深遠(yuǎn)的影響 近年來 越來越受到國內(nèi)外各實(shí)驗(yàn)室的關(guān)注 并 開始對(duì)其進(jìn)行了研究 取得了一系列成果 目前 提出的全光邏輯門的實(shí)現(xiàn)方案有很多 根據(jù)使用的非線性材料 大體來說可分為兩類 基于半導(dǎo)體光放大器 s o a 的全光邏輯門 和基于非線性光纖的全光邏輯門 下面將重點(diǎn)介紹這兩類全光邏輯門 并簡單介紹一下實(shí) 現(xiàn)全光邏輯門的其他方法 1 2 1 基于半導(dǎo)體光放大器的全光邏輯門 半導(dǎo)體光放大器 s o a 以其高非線性 低功耗 良好的穩(wěn)定性 響應(yīng)速度快 工作波 段長 1 3 一1 6 刪 等優(yōu)點(diǎn) 成為實(shí)現(xiàn)全光邏輯門非線性材料中的研究熱點(diǎn) 1 1 15 1 在基于s o a 實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的研究領(lǐng)域內(nèi) 目前國外科研水平處于領(lǐng)先地位 而國內(nèi)的研究要相對(duì)滯 后 尚處于起步階段 基于半導(dǎo)體光放大器 s o a 實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的方法可分為兩大類 基于半導(dǎo)體光放 2 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 大器自身非線性效應(yīng)的全光邏輯門 主要是利用半導(dǎo)體光放大器的四波混頻 f w m 效應(yīng) 交叉增益調(diào)制 x g m 效應(yīng)和交叉相位調(diào)制 p m 效應(yīng)等 基于半導(dǎo)體光放大器干涉儀的 全光邏輯門 如 超快非線性干涉儀 u n i 馬赫 曾德爾干涉儀 m z i 邁克爾遜干涉儀 m i 太赫茲光非對(duì)稱解復(fù)用器 t o a d 等 1 6 1 1 基于半導(dǎo)體光放大器自身非線性效應(yīng) 這種邏輯門利用半導(dǎo)體光放大器自身的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn) 通常是使用單個(gè)或級(jí)聯(lián) s o a 結(jié)構(gòu)簡單 易于集成 缺點(diǎn)是速度普遍較低 以下根據(jù)非線性效應(yīng)的不同 分別介 紹基于s o a f w m 和s o a x g m 實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的方案 基于s o a f w m 的全光邏輯 與門 1 9 1 7 l 囂二f f 卜恒弘b 呦 1i i 二二 二 i 圖1 1基于s o a 硎的全光邏輯 與門 示意圖 信號(hào)光a 和信號(hào)光b 是兩路偏振態(tài)相同 波長分別為 如 頻率分別為z 的 光脈沖 注入s o a 后 在滿足一定的條件下 由于s o a 的四波混頻效應(yīng) 會(huì)產(chǎn)生出頻率 為z 2 石一 或2 厶一z 的共軛光 對(duì)應(yīng)的新波長為 當(dāng)信號(hào)光a 和b 都為 l 碼時(shí) 才能在s o a 內(nèi)部發(fā)生f w m 效應(yīng) 才能產(chǎn)生由于f w m 效應(yīng)而得到的新波長五 用濾波 器對(duì)準(zhǔn)此共軛光進(jìn)行濾波 則輸出為信號(hào)a 和b 的邏輯 與一 所以實(shí)現(xiàn)了全光邏輯 與 門 基于s o a x g m 的全光邏輯 異或門一n 1 6 1 田 a b a b 圖l 2 基于s o a x g m 的全光邏輯 異或門 示意圖 如圖1 2 所示 光強(qiáng)較強(qiáng)的泵浦光和光強(qiáng)較弱的泵浦光 分別從s o a 的右側(cè)和左側(cè)注 3 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 入 在s o a l 中 當(dāng)泵浦光a 和b 都為 l 時(shí) 由于s o a l 中泵浦光b 的功率大于泵浦光 a b 將競爭到s o a l 中絕大部分的載流子 而泵浦光a 則被飽和吸收 因而s o a l 右端 可以視為沒有信號(hào)輸出 也就是輸出為 o 碼 只有s o a l 右端沒有泵浦光輸入時(shí) 信號(hào)a 才能夠吸收載流子從而被放大 輸出為 l 碼 因而s o a l 實(shí)現(xiàn)了彳吾運(yùn)算 同理 s o a 2 可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算才曰 最后再把s o a l 和s o a 2 的輸出信號(hào)經(jīng)過耦合器耦合在一起 就得到 了a 和b 的 異或 實(shí)現(xiàn)了全光邏輯 異或門一 基于s o a 自身非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門 優(yōu)點(diǎn)是集成性好 信號(hào)輸出的質(zhì)量高 對(duì)比度高 能同時(shí)處理多個(gè)輸入信號(hào) 缺點(diǎn)是 對(duì)偏振敏感 必須嚴(yán)格控制光的偏振態(tài) 而且功率轉(zhuǎn)換的效率也不理想 另外 基于半導(dǎo)體光放大器其他非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門也有其各自的優(yōu)勢(shì) 也 存在一定的競爭力 2 基于半導(dǎo)體光放大器干涉儀的全光邏輯門 基于半導(dǎo)體光放大器干涉儀的全光邏輯門是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn) 其優(yōu)勢(shì)在于速度 快 功耗低 波形系數(shù)小等 根據(jù)使用的干涉儀的數(shù)量 可將這種邏輯門分為兩類 基于光纖干涉儀的全光邏輯門 和基于集成干涉儀的全光邏輯門 前者主要是利用半導(dǎo)體光放大器的交叉相位調(diào)制效應(yīng) 典型代表是超快非線性干涉儀 工作原理如圖1 3 所示 1 5 16 1 9 捌 信號(hào) 圖1 3 基于u n i 的全光邏輯門示意圖 信號(hào)脈沖先經(jīng)過p s i l 使信號(hào)具有一定方向的偏振態(tài) 再通過b i 強(qiáng)l 經(jīng)分波器分成正 交偏振 有一定延時(shí)的脈沖a 和b 控制脈沖通過耦合器輸入到s o a 脈沖a 先經(jīng)過s o a 最后脈沖b 再通過s o a 因?yàn)槊}沖a 功率比較小 s o a 不能產(chǎn)生增益非線性 而脈沖b 將會(huì)遇到強(qiáng)功率的控制脈沖 使s o a 產(chǎn)生增益非線性 從而脈沖b 獲得一附加相移 脈 沖a b 再經(jīng)過快慢軸與b i 強(qiáng)l 正交的b l 強(qiáng)2 后 在時(shí)間上重新重疊 由于脈沖a 和b 存 4 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 在相位差 當(dāng)它們通過一個(gè)4 5 0 檢偏器 p s l 2 后將會(huì)產(chǎn)生干涉后 有信號(hào)輸出 即為 1 碼 若沒有控制脈沖 脈沖a 和b 將會(huì)遇到相同的增益特性 沒有相位差 在檢偏器不能形 成干涉 也就沒有信號(hào)輸出 即為 o 碼 因而就得到了a 和b 的 異或 實(shí)現(xiàn)了全光邏 輯 異或門 基于半導(dǎo)體光放大器一超快非線性干涉儀的全光邏輯門優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快 所需脈沖功 率低 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 不易控制 而且受碼型影響較大 需要較短的增益恢復(fù)時(shí)間 易受到抖動(dòng)的影響 基于半導(dǎo)體光放大器 光纖干涉儀的全光邏輯門 反應(yīng)速度快 所需能量低 但是由于 采用了光纖 體積較大 穩(wěn)定性不好 而基于半導(dǎo)體光放大器 集成干涉儀的全光邏輯門結(jié) 構(gòu)緊湊 穩(wěn)定性好 其中 使用最多的干涉儀是馬赫 曾德爾干涉儀 以全光 異或門 為 例 其工作原理 l o 15 1 6 如圖l 4 所示 信號(hào)光 c w異或輸出 l r 探測光五 r 圖l 4 基于s o a m z l 的全光邏輯 異或門 示意圖 s o a l 和s o a 2 對(duì)稱地放置于干涉儀兩臂 波長為 的兩路信號(hào)光a 和b 分別注入到 s o a l 和s o a 2 中 波長為厶的探測光c w 經(jīng)過一個(gè)3 d b 耦合器后分解成兩束光注入到干 涉儀兩臂 設(shè)置信號(hào)光的峰值功率大于半導(dǎo)體光放大器的最大線性輸入功率 從而使有源 區(qū)內(nèi)載流子密度改變 有源區(qū)的有效折射率也隨之變化 導(dǎo)致通過半導(dǎo)體放大器的探測光 強(qiáng)度和相位發(fā)生改變 即產(chǎn)生了x g m 和 m 效應(yīng) 探測光經(jīng)過s o a l 和s o a 2 后就會(huì) 攜帶上信號(hào)光的信息 兩路經(jīng)過相位調(diào)制后的探測光在耦合器中發(fā)生干涉 將相位調(diào)制轉(zhuǎn) 換成振幅調(diào)制 完成信號(hào)光a 和b 的邏輯 異或 實(shí)現(xiàn)了全光邏輯 異或門 利用該工作原理來實(shí)現(xiàn)邏輯門 優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)方案簡單 易于集成和操作 輸出對(duì)比度 較好 缺點(diǎn)是 由于半導(dǎo)體光放大器中載流子恢復(fù)時(shí)間 約1 0 0 眇 較長 這將導(dǎo)致輸出信號(hào) 的脈寬變大 限制了信號(hào)處理的速度 5 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 總之 基于半導(dǎo)體光放大器干涉儀的全光邏輯門 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單緊湊 易于集成 所需信號(hào)功率小 效率高 不受波長影響 輸出對(duì)比度好 所以具有很高的研究價(jià)值 缺 點(diǎn)在于s o a 中載流子恢復(fù)時(shí)間較長 限制了信號(hào)處理的速度 并且半導(dǎo)體光放大器工作 時(shí)將不可避免地引入自發(fā)輻射噪聲i 嘲 1 2 2 基于非線性光纖的全光邏輯門 在未來的全光網(wǎng)絡(luò)中 高信號(hào)處理速度是關(guān)鍵技術(shù)之一 非線性光纖因其響應(yīng)速度快 約幾個(gè)竅 將成為全光處理的關(guān)鍵元件 基于非線性光纖實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的方法可分為兩大類 基于非線性光纖自身非線性 效應(yīng)的全光邏輯門 主要是利用非線性光纖的四波混頻 f 啪效應(yīng) 自相位調(diào)制 s p m 效 應(yīng)和交叉相位調(diào)制 m 效應(yīng) 克爾效應(yīng)和偏振效應(yīng)等 基于非線性光纖干涉儀的全光 邏輯門 常用的干涉儀有s a g n a c 環(huán) 超快非線性干涉儀刑n i 馬赫一曾德爾干涉儀 m z i 邁克爾遜干涉儀 m d 等 1 5 1 1 基于非線性光纖自身非線性效應(yīng)的全光邏輯門 非線性光纖所具有的極快響應(yīng)速度 在上個(gè)世紀(jì)8 0 年代 就得到了廣泛的關(guān)注 人 們開始使用光纖來實(shí)現(xiàn)全光邏輯門 1 9 8 8 年 t m o r i o l a 和m a a 門1 w a t a r i 利用保偏單模光 纖的克爾效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)了快速全光邏輯門 2 1 1 隨著光纖制作工藝的不斷發(fā)展 具有極高非線性系數(shù)的高非線性光纖研制成功 高非 線性光纖已經(jīng)取代普通光纖 成為目前全光邏輯門研究中的關(guān)鍵材料 以2 0 0 5 年c h a n 臥l a n y u 等人利用高非線性光纖的克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的1 0 g 6 施 異或門 為例 其工作原理 1 5 2 2 如 圖卜5 所示 毛1 l o o 檢偏器 圖1 5 基于h 1 憶f 克爾效應(yīng)的全光邏輯門示意圖 在高非線性光纖的輸入端 波長為 和如的輸入信號(hào)的偏振態(tài)正交 這兩個(gè)輸入信號(hào) 6 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 和第三個(gè)波長為五連續(xù)的探測波以4 5 對(duì)齊 在h n l f 的輸出端放置一個(gè)偏光鏡 與以的 偏振態(tài)正交相一致 當(dāng)五和五關(guān)閉 在偏光鏡后沒有 的輸出 只有五的輸入信號(hào)存在 時(shí) 克爾效應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)在與 一致的偏振方向和與五正交的方向 即厶的偏振方向 之間 的光學(xué)指標(biāo)差異 在這種情況下 五的偏振態(tài)將旋轉(zhuǎn) 這是由于 的存在誘導(dǎo)的雙折射 在輸出端 厶不再和偏光鏡正交 允許一部分信號(hào)通過偏光鏡后 得到輸出信號(hào) 同理 只有如存在時(shí) 也會(huì)在偏光鏡后得到輸出信號(hào) 但是 當(dāng) 和厶的輸入信號(hào)同時(shí)存在時(shí) 由 和五誘導(dǎo)的雙折射將被消除 結(jié)果是五處的偏振態(tài)沒有變化 這種情況下 在光纖的 輸出端 五的偏振態(tài)將與偏光鏡正交 那么在偏振鏡的輸出端就沒有信號(hào)輸出 因此實(shí)現(xiàn) 了 異或 運(yùn)算 基于非線性光纖自身的非線性效應(yīng)的全光邏輯門 優(yōu)點(diǎn)是速度快 損耗小 結(jié)構(gòu)簡單 工作效率高 所需光纖長度短 易于控制 由于剛l f 中的克爾效應(yīng) 對(duì)輸出信號(hào)的響應(yīng) 速度不超過1 0 蘆 基于m 兒f 克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的邏輯門的響應(yīng)速度 理論上可達(dá)到1 0 0 g 6 觚 以上 2 0 0 6 年 v m a 化m b c n 等人基于高非線性克爾全光邏輯門 實(shí)現(xiàn)了 0 g 6 此詹的時(shí)域 解復(fù)用圓 因此 使用光纖的非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)超快邏輯門具有極大的潛力 然而這種方 法的缺點(diǎn)是易受到泵滴強(qiáng)度起伏和信號(hào)漂移的影響 導(dǎo)致信噪比降低 2 基于非線性光纖干涉儀的全光邏輯門 基于非線性光纖干涉儀的全光邏輯門的實(shí)現(xiàn)主要依靠干涉儀 其中最常使用的干涉儀 是s 螂環(huán) 早在1 9 8 3 年 k o t s u l a 就論述了利用s a 驢a c 環(huán)實(shí)現(xiàn)全光邏輯操作是可行的 2 4 1 9 9 1 年 m j i n n 0 和t m a t s 哪o t 0 利用保偏s a g n 環(huán)驗(yàn)證了 與門 異或門 和 同 或門 等基本邏輯運(yùn)算瞵1 基于s a 印嬲干涉儀的全光邏輯門工作原理 5 2 5 l 如圖1 6 所示 ac 1 0 c k1 0 1 o 五o l o o 廣a i o i o 二向色熊貓型光纖耦合器 圖1 6 基于s a g n 干涉儀的全光邏輯門示意圖 7 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于s a 髓a c 干涉儀實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門 優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快 性能穩(wěn)定 能有效避免長 光纖所引起的熱學(xué)和聲學(xué)起伏 以及信號(hào)與控制脈沖的走離 缺點(diǎn)是 對(duì)泵浦脈沖的功率 要求比較高 所需光纖長度長 不利于集成 但是 隨著非線性光纖的發(fā)展 以上缺點(diǎn)可 通過采用高非線性光纖來克服 與色散補(bǔ)償光纖相比 采用高非線性光纖的實(shí)驗(yàn)方案所需 光纖長度更短 功率要求更低 走離效應(yīng)更小 因此 利用非線性光纖干涉儀實(shí)現(xiàn)超快全 光邏輯門是完全可行的 基于非線性光纖干涉儀的全光邏輯門將會(huì)成為又一個(gè)研究重點(diǎn) 總之 基于非線性光纖實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門 優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快 能完成高速率的全光 信號(hào)處理 所需輸入功率低 特別是采用高非線性光纖 可以極大的減小輸入功率 提高 工作效率 減小損耗 此外 高非線性光纖也可以在大功率輸入的情況下工作 相比基于 半導(dǎo)體光放大器實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門 最大的缺點(diǎn)是 由于光纖的使用 導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的全光邏 輯門體積相對(duì)較大 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 難以集成 l 卯 1 2 3 其他類型的全光邏輯門 除了上面介紹的全光邏輯門的實(shí)現(xiàn)方法之外 還有很多基于其他材料實(shí)現(xiàn)全光邏輯門 的方案 下面簡單介紹幾種實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的方法 2 0 0 5 年 w b f r a g a 等人提出了基于不對(duì)稱非線性定向耦合器的全光邏輯門研究1 2 們 2 0 0 7 年 s h a p i m y p 和h o r 0 晰乜m 提出了基于光纖布拉格光柵孤子間相互作用實(shí)現(xiàn)邏輯 與 門糟口刀 2 0 1 0 年 l a i l l 觚l i 等提出了基于h n l f 四波混頻效應(yīng)的可重構(gòu)全光邏輯門 2 引 m a b i ep f o k 等提出了偏振效應(yīng)對(duì)基于四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的全光邏輯 異或門 性能的影響 例 另外 隨著近幾年光孤子的研究發(fā)展 基于光孤子實(shí)現(xiàn)全光邏輯門也成為了研究的熱 點(diǎn) 雖然實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的方法有很多 但是都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段 隨著下一代全光通 信網(wǎng)絡(luò)的到來 研究實(shí)用化的全光邏輯門勢(shì)在必行 1 3 方案選取 綜上所述 雖然基于半導(dǎo)體光放大器的全光邏輯門 結(jié)構(gòu)簡單 易集成 信號(hào)功率小 效率高 不受波長影響 輸出對(duì)比度好 但是由于s o a 固有的載流子恢復(fù)時(shí)間的限制 使得該類型全光邏輯門難以滿足更高速的系統(tǒng)要求 隨著高非線性光纖的研制成功和對(duì)光纖中非線性效應(yīng)研究的深入 利用高非線性光纖 的非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門 響應(yīng)速度快 能完成高速率的全光信號(hào)處理 所需輸 入功率低 工作效率高 損耗小 噪聲低 不受功率制約 雖然 和基于半導(dǎo)體光放大器 的全光邏輯門相比 由于光纖的使用 導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門體積相對(duì)較大 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 8 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 難以集成 1 5 1 但是隨著光波導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展 我們可以采用非線性光子晶體波引3 0 1 來代替非 線性光纖 使邏輯門的體積減小 易于集成 所以 基于非線性光纖的全光邏輯門具有很 強(qiáng)的競爭力和很高的研究價(jià)值 所以 本文將選取h n l f 作為核心器件 來構(gòu)建高速的全 光邏輯門 1 4 本文的主要工作 本文以光脈沖在光纖介質(zhì)中的傳輸理論為基礎(chǔ) 通過數(shù)值模擬和軟件仿真對(duì)全光邏輯 門進(jìn)行了研究 第l 章為緒論 簡單介紹了全光邏輯門的研究背景及研究意義 總結(jié)了幾種國內(nèi)外基于 半導(dǎo)體光放大器和基于非線性光纖實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的研究成果 并對(duì)這兩種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行 了對(duì)比分析 發(fā)現(xiàn)基于高非線性光纖的全光邏輯門因其極快的響應(yīng)速度 特別適合用來制 作全光邏輯器件 第2 章為光纖中非線性效應(yīng)的理論分析 首先概述了非線性光纖及其相關(guān)特性和高非 線性光纖的發(fā)展 接著理論推導(dǎo)出光脈沖傳輸方程 研究了光纖中的自相位調(diào)制 交叉相 位調(diào)制等幾種非線性效應(yīng)對(duì)光脈沖在光纖介質(zhì)中傳輸時(shí)的影響 推導(dǎo)出基于自相位調(diào)制和 交叉相位調(diào)制效應(yīng)所產(chǎn)生的相移 為后續(xù)章節(jié)構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)全光邏輯門提供理論依據(jù) 第3 章為基于光纖中 m 效應(yīng)的全光邏輯 與門 建立了全光邏輯 與門 的理 論模型和實(shí)現(xiàn)方案 采用有限差分法對(duì)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬 得到了l og 6 脅全光 與 門 輸出 驗(yàn)證了所提出方案的可行性 根據(jù)其工作原理仿真實(shí)現(xiàn)了1 0 g 6 f 以全光邏輯 與 門一 對(duì)仿真結(jié)果及影響全光邏輯 與門一性能的因素進(jìn)行了討論 根據(jù)討論結(jié)果 提出 了一種基于s p m 開關(guān)提高全光邏輯 與門 性能的方案 第4 章為基于光纖中 m 效應(yīng)的全光邏輯 異或門一 建立了全光邏輯 異或門 的理論模型和實(shí)現(xiàn)方案 采用有限差分法對(duì)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬 得到了1 0g 6 腑全 光 異或門 輸出 驗(yàn)證了所提出方案的可行性 根據(jù)其工作原理利用仿真軟件實(shí)現(xiàn)了 1 0 g 6 脅全光邏輯 異或門 但是發(fā)現(xiàn)全光邏輯 異或門 輸出信號(hào)存在多余的 小峰 因此提出了兩種抑制殘留余峰 提高全光邏輯 異或門 性能的方法 最后 使用實(shí)現(xiàn)全 光邏輯 異或門 方案的子系統(tǒng) 和基本邏輯運(yùn)算 重構(gòu)出全光邏輯 或門 利用仿真 軟件實(shí)現(xiàn)了l o g 6 脅全光邏輯 或門 并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析 第5 章對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié) 9 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章光纖中非線性效應(yīng)的理論分析 2 1 光纖及其非線性特性 2 1 1 光纖的發(fā)展 光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫 是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá) 成的光傳導(dǎo)工具 它具有巨大的帶寬資源和優(yōu)異的傳輸性能 是滿足超高速大容量遠(yuǎn)距離 通信系統(tǒng)傳輸?shù)睦硐朊浇?光纖通信是利用光波作載波 以光纖作為傳輸媒質(zhì)將信息從一 處傳至另一處的通信方式 1 9 6 6 年英籍華人高錕博士發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)代性的論文 他提 出利用帶有包層材料的石英玻璃光學(xué)纖維 能作為通信媒質(zhì) 從此 開創(chuàng)了光纖通信領(lǐng)域 的研究工作 經(jīng)過了短短的4 0 多年時(shí)間 光纖通信已經(jīng)從基礎(chǔ)的理論研究發(fā)展到了廣泛 的應(yīng)用億1 卯 隨著光纖通信系統(tǒng)的升級(jí)和發(fā)展 以及全光網(wǎng)絡(luò)的提出和研究的深入 新型光纖及光 器件層出不窮 繼第一代單模光纖g 6 5 2 光纖后 相繼出現(xiàn)了g 6 5 3 色散位移光纖 g 6 5 5 非零色散位移光纖 色散補(bǔ)償光纖 色散平坦光纖 純石英單模光纖 橢圓光纖 雙折射 光纖 紅外光纖 復(fù)合光纖 氟化物光纖 熊貓光纖 密封涂層光纖 碳涂層光纖 金屬 涂層光纖 摻稀土光纖 多芯光纖 空芯光纖 塑包光纖 塑料光纖 光子晶體光纖以及 高非線性光纖等多種新型光纖 2 j 2 1 2 光纖的非線性特性 光纖的一個(gè)重要特性是非線性 光纖中的非線性效應(yīng) 來源主要有兩個(gè) 一個(gè)是光波 與石英介質(zhì)中分子振動(dòng)的相互作用 稱為散射效應(yīng) 另一個(gè)是折射率隨光場強(qiáng)度變化 統(tǒng) 稱為克爾效應(yīng) 這些非線性效應(yīng)主要為 自相位調(diào)制 s p m 效應(yīng) 四波混頻 f w m 效應(yīng) 交叉相位調(diào)制 m 效應(yīng) 調(diào)制不穩(wěn)定性 受激布里淵散射 s b s 和受激拉曼散射 s r s 3 1 1 等 這些非線性效應(yīng) 不僅制約了光纖通信系統(tǒng)的傳輸性能 而且阻礙了光纖通信系統(tǒng)向 高速率 大容量 長距離方向發(fā)展 但是 最近的研究表明 光纖中的非線性效應(yīng)也有可 以利用的一面 利用光纖的非線性效應(yīng) 可以構(gòu)成多種光纖元器件和非線性光纖通信系統(tǒng) 如 超短脈沖光孤子源 孤子激光器 可調(diào)制拉曼振蕩器 光纖參量放大器 克爾調(diào)制器 混頻器件 邏輯器件以及光孤子通信系統(tǒng) 全光光纖通信系統(tǒng)和全光網(wǎng)絡(luò) 1 5 3 2 j 3 1 1 0 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 光纖是導(dǎo)引光電磁波的介質(zhì) 在光纖傳輸系統(tǒng)中 隨著入纖功率的增加 束縛電子的 非諧振運(yùn)動(dòng)會(huì)受到電磁場的影響 介質(zhì)中的電偶極子的極化強(qiáng)度對(duì)電場呈現(xiàn)非線性 所以 在光纖中傳輸大功率 高強(qiáng)度的光信號(hào)時(shí) 就會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng) 3 4 1 光纖的非線性系數(shù)是影響非線性效應(yīng)強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素 即使非線性系數(shù)不大的石英光 纖 也會(huì)在相對(duì)功率較低的情況下觀測到非線性效應(yīng) 隨著對(duì)非線性材料研究的不斷深入 目前已經(jīng)研制出一大批非線性系數(shù)高 性能優(yōu)良的高非線性光纖 它們?cè)诠庠偕?光放大 器 光開關(guān) 光波長轉(zhuǎn)換 光纖光柵 光邏輯等方面正引起極大的關(guān)注1 3 2 l 2 1 3 高非線性光纖 隨著人們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)速度以及容量要求的日益增長 發(fā)展高速率 大容量 長距離的 通信網(wǎng)已經(jīng)勢(shì)在必行 而全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 對(duì)全光器件的要求越來越高 往往會(huì)在1 0 0 g 6 i 以 甚至更高速的情況下進(jìn)行信號(hào)傳輸和處理 其交換節(jié)點(diǎn)也要有能夠滿足蘆甚至廬量級(jí)的 全光開關(guān) 全光邏輯等 3 3 1 光纖的非線性效應(yīng)反應(yīng)速度快 約幾個(gè)腳 很適合高速率全光網(wǎng)絡(luò)的要求 而高非線 性光纖 h n l f 是提高光纖非線性作用的關(guān)鍵介質(zhì) 可以應(yīng)用于光波長變換 光脈沖整形 光信號(hào)處理 寬帶光源以及光脈沖壓縮等方面 所以 高非線性光纖越來越有研究價(jià)值 光纖的非線性特性是由非線性系數(shù)廠來衡量的 定義為 1 5 3 5 川等 礱曠 2 1 其中 刀 是光纖的非線性折射率 如是有效芯區(qū)面積 決定了光纖中的光子數(shù)量 光纖 的非線性效應(yīng)的效率與y 成正比 由 2 一1 可以看出 一2 和7 成正比 如和y 成反比 要 增大廠 可增大刀2 和降低如來實(shí)現(xiàn) 隨著科技的不斷發(fā)展 技術(shù)的不斷革新 出現(xiàn)了很多提高光纖非線性的方法 近來報(bào) 道的高非線性光纖主要有 高摻鍺氧化硅基 氧化鉍基 氧化碲基高非線性光纖等 基于 b i 2 0 3 的高非線性光纖因鉍基玻璃的特性而具有很大的非線性折射率 1 i 1 0 一 m 2 又 由于結(jié)構(gòu)密集而具有很小的有效芯區(qū)面積 3 3 冊(cè)2 2 0 0 4 年 n s u g i m o t 0 等人使用b i 2 0 3 設(shè)計(jì)出非線性系數(shù)達(dá)到1 3 6 0 礦7 砌 勺的高非線性光纖 3 6 1 此外 因?yàn)槎嗫坠饫w可以減小光 纖的如 得到很高的非線性系數(shù) 2 0 0 2 年w b e l 捫i 等人基于s i 0 2 設(shè)計(jì)出非線性系數(shù)為 7 0 礦7 腑 的多孔高非線性光纖 翊 2 0 0 4 年 a m o r i 采用t e i 0 2 設(shè)計(jì)出非線性系數(shù)為 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 7 5 礦 脅 的多孔高非線性光纖 翊 2 0 0 5 年j l e o n g 基于硅酸鉛研制出非線性系數(shù)為 1 8 6 0 礦7 j 聊 的高非線性光纖 朔 高非線性光纖由于具有很高的非線性系數(shù) 所以它在同類非線性材料中有著明顯的優(yōu) 勢(shì) 應(yīng)用很廣泛 采用心l f 可產(chǎn)生超連續(xù)譜 s c 將脈沖寬度為皮秒或亞皮秒 重頻在 幾千赫茲到幾吉赫茲 光脈沖峰值功率幾千瓦 光平均功率數(shù)十毫瓦 波長在零色散附近 的泵浦光注入到高非線性光纖中 可以在光纖中產(chǎn)生頻譜連續(xù)的脈沖光譜 柏l 在高速光傳 輸系統(tǒng)中 使用高非線性光纖 可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的3 r r e 鋤p l i 母i n g r e t i m i n g r e s h 印i n g 再生 4 1 4 2 1 使用基于高非線性光纖的非線性s a 髓扯環(huán) 可以實(shí)現(xiàn)高速的全光a d 轉(zhuǎn)換 4 3 1 因此 基于新材料基質(zhì)和新結(jié)構(gòu)的高非線性光纖成為研究者關(guān)注的領(lǐng)域 隨著材料制各工 藝的深入和發(fā)展 高非線性光纖的綜合性能相信會(huì)更加可靠和穩(wěn)定 在未來的高速光通信 網(wǎng)中將會(huì)發(fā)揮更大的作用 2 2 光脈沖傳輸方程 與所有的電磁現(xiàn)象相同 光纖中光脈沖的傳輸也服從麥克斯韋方程組 在國際單位制 中 該方程組可以寫成阮3 4 朋 4 s l v 小一等 2 2 v 小警 2 3 v d 乃 2 4 v b 0 2 5 其中 豆 霸分別為電場強(qiáng)度矢量和磁場強(qiáng)度矢量 西 雪分別為電位移矢量和磁感應(yīng) 強(qiáng)度矢量 電流密度矢量了和電荷密度乃表示電磁場的源 在光纖這樣無自由電荷的介 質(zhì)中 顯然是 7 0 乃 o 電位移矢量西和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量雪 會(huì)隨著光纖內(nèi)傳輸?shù)碾姶艌鰪?qiáng)度層豆和療的增大 而增大 它們之間的關(guān)系可以用以下方程表示 d g o e p 2 6 b o h m 2 7 其中 島為真空中的介電常數(shù) 為真空中的磁導(dǎo)率 聲 庸分別為感應(yīng)電極化強(qiáng)度和 塑翌三些奎蘭堡主堂垡笙塞 磁極化強(qiáng)度 由于光纖是無磁性的介質(zhì) 所以庸 0 從麥克斯韋方程組 可得到光纖中光傳輸?shù)牟▌?dòng)方程為 v v e 一吉警確窘 仁8 其中 鰳 l c 2 c 為真空中的光速 為了完整地表達(dá)出光纖中光波的傳輸過程 還需要討論電極化強(qiáng)度聲和電場強(qiáng)度雷的 關(guān)系 當(dāng)光頻的大小接近介質(zhì)共振頻率時(shí) 聲的計(jì)算需要使用量子力學(xué)方法 在遠(yuǎn)離介質(zhì) 的共振頻率處 戶和豆的關(guān)系可以寫成 尸 島 蛾 工 2 e e 工 3 點(diǎn)e e 2 9 其中 島為真空中的介電常數(shù) x 為j 階極化率張量 若只考慮與z 3 有關(guān)的三階非線 性效應(yīng) 則聲由兩部分組成 尸 昱 廠 2 1 0 其中 吃 r 表示線性部分 氣 表示非線性部分 它們與場強(qiáng)的關(guān)系為 兄 f z o f e 西 2 1 1 忍 氏 z 3 一 l 一 2 一 3 i e 廠 1 e f 2 e 3 硪l 功2 破3 2 1 2 在階躍光纖中 v 雷很小 我們近似認(rèn)為其為零 則有 v v 豆 v v 兩一v 2 后 一v 2 豆 2 1 3 那么波動(dòng)方程式變?yōu)?v 2 豆專警 鰳等 鰳爭 億 在慢變包絡(luò)近似下 把電場的快變部分分開 寫成 e 尹 r 寺缸e 尹 f e x p 一f o f c c 2 15 同樣 可把極化強(qiáng)度分量豆 死表示成 兄 尹 寺曼阮 尹 e x p 一f c c 2 1 6 1 3 塑三些奎蘭堡主堂篁笙奎 民 和 三姐 幻 e x p 一f 卅 2 1 7 把式 2 1 5 h 2 1 7 代入式 2 1 4 可以得到 v 2 茁 占 彩 七 營 o 2 1 8 利用變量分離 假定解的形式為 岔 尹 緲一 x y 彳 z 國一 e x p 矚z 2 1 9 其中 彳 z 一紈 是z 的慢變函數(shù) 風(fēng)是波數(shù) 將式 2 1 8 分解為 窘 窘小 叫節(jié) 腳 2 2 2 溉罷 萬2 一風(fēng)2 彳 o 2 2 1 院 一一 7 很顯然 彳 z 彩一 描述了光脈沖沿光纖軸方向傳播時(shí)特性 其中萬為 萬 緲 2 2 2 班篙端譬 億2 3 i f 工 y i 撕 7 此時(shí) 振幅彳 z 國一 可以寫成 蘭 移 國 筇一屬 彳 2 2 4 宓 一一 在頻率 處把 彩 展成泰勒級(jí)數(shù) 用微分算符代替緲一 得到 警一屆魯一主廈害 喇 2 2 5 項(xiàng)包括了光纖的損耗及非線性效應(yīng) 對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換 得到 署 屆詈 吾及害 詈 水1 2 彳 陪2 6 其中 為非線性系數(shù) 奠定 為 警 2 2 7 c a 嚼 v 叫 1 i 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 彳巧為有效芯區(qū)面積 定義為 妒等等等 弘2 8 方程描述了皮秒光纖脈沖在單模光纖內(nèi)的傳輸 也被稱為非線性薛定諤方程 方程中a 的 代表了光纖的損耗 y 是光纖的非線性系數(shù) 屆 歷反應(yīng)了光纖的二階色散 2 3 光纖介質(zhì)影響脈沖傳輸?shù)膸追N非線性效應(yīng) 早在1 9 7 2 年 光纖中的非線性效應(yīng)就引起了研究者的關(guān)注 并在2 0 世紀(jì)八十至九十 年代得到了快速的發(fā)展 早期對(duì)光纖中的非線性效應(yīng)的研究 主要是針對(duì)其對(duì)通信系統(tǒng)中 負(fù)面的影響 但是 隨著信息時(shí)代的到來 光纖通信向著高速率 大容量 長距離發(fā)展 光纖中的非線性效應(yīng)又被重新認(rèn)識(shí) 利用光纖中的非線性效應(yīng) 可以構(gòu)成多種光纖元件 特別是非線性系數(shù)高的光纖 是全光信號(hào)交換和處理的關(guān)鍵器件 目前基于非線性效應(yīng)的 光器件也已開始應(yīng)用到光通信系統(tǒng)中 非線性效應(yīng)指的是在強(qiáng)光作用下因?yàn)榻橘|(zhì)的非線性極化而產(chǎn)生的效應(yīng) 包括雙光子吸