基于光子晶体光纤非线性环路镜光开关的研究

万方数据

作者：李少晖，杨爱英，崔建民，孙雨南， LI Shao-hui， YANG Ai-ying， CUI Jian-min，SUN Yu-nan

作者单位：北京理工大学,信息科学技术学院光电工程系,北京,100081

刊名：

北京理工大学学报

英文刊名：TRANSACTIONS OF BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

年，卷(期)：2009，29(2)

被引用次数：0次

参考文献(10条)

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相似文献(10条)

1.学位论文李善甫基于光子晶体光纤中的脉冲俘获的超高速光开关的研究2006

超高速全光开关是实现超高速光通信的一项重要关键技术。光子晶体光纤是近年来提出来的一种全新的光纤，它具有传统光纤所无法比拟的特殊的光学特性，如无截止单模、可控色散以及丰富的光学非线性等特性，在全光通信领域具有广阔的应用前景，已成为光纤通信领域的一个研究热点。采用脉冲俘获在光子晶体光纤中实现光开关能有效的提高光开关的响应速率，同时光开关还具有色散可控、俘获率高等特点。本文研究了光子晶体光纤中的脉冲俘获现象，以及基于脉冲俘获的光开关的基本原理和特性。取得的主要成果如下：

第一，光子晶体光纤中脉冲俘获现象受多种因素的制约，理论分析十分复杂，数值模拟成为重要的分析手段。我们基于光子晶体光纤中光脉冲传输的理论模型自主开发了能模拟基于脉冲俘获实现光开关的计算机程序，与文献报道的理论和实验结果进行了比对，考核了程序计算结果的正确性。

第二，研究了高阶色散、自陡峭、受激喇曼散射等各种高阶效应对光子晶体光纤中脉冲俘获的影响。结果表明，只有当抽运脉冲处于反常色散区、信号脉冲处于正常色散区时才能形成脉冲俘获现象，被俘获的信号脉冲频谱蓝移、抽运脉冲频谱红移；不考虑受激喇曼散射影响时脉冲俘获现象将消失。

第三，分析了光子晶体光纤中基于脉冲俘获的超高速光开关的特性。数值模拟结果表明，增大抽运脉冲的初始功率，发生俘获的两个脉冲的频移将更加明显；抽运脉冲俘获信号脉冲串中的任何一个信号后，随着传输距离的增加，将不会影响到其它信号脉冲的传输特性；超高速光开关的响应速率受俘获率的制约，当其响应速率超过某一特定值时，信号脉冲的俘获率下降，同时会影响到下一个信号脉冲。为提高光开关的响应速率，必须缩短光子晶体光纤的长度或增加抽运脉冲的初始功率。

2.学位论文杨世云光子晶体光纤中SPM和XPM的两种应用研究2009

光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）由于具有结构可控的灵活性和新颖的传输特性而成为近年来国内外研究的热点。光子晶体光纤具有极强的非线性特性，它在超连续谱产生及参量放大器、光纤激光器、光纤光栅、光开关等光纤器件制作方面有非常广泛的应用前景，并且有可能对非线性光纤光学的发展起更加重要的推动作用。因此，对于光子晶体光纤中的各种非线性效应--自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频效应、受激拉曼散射和受激布里渊散射等的理论研究和实验分析便具有相当重要的意义，可为基于非线性效应的光纤器件的研制提供理论基础。

本论文主要内容如下：

1）本论文在国内外现有成果的基础上，对光子晶体光纤中的SPM和XPM效应及其应用进行了研究。介绍了光子晶体光纤的非线性特性及其应用研究背景，说明了本论文研究的重要意义。

2）利用光子晶体光纤的自相位调制和交叉相位调制效应实现孤子自俘获，并基于分步傅里叶方法，利用Matlab仿真分析了在光子晶体光纤的反常色散区，光子晶体光纤的特性参数如群速度失配因子、三阶色散、自陡峭因子和脉冲内拉曼散射因子对孤子自俘获效应的影响。这对于研究设计一种新型微结构光纤用于产生优良的孤子自俘获效应具有重大意义，基于此效应可以实现高速的全光开关。

3）基于双折射光子晶体光纤的脉冲俘获现象实现全光开关，通过改变信号脉冲串之间的时间间隔控制全光开关的阈值功率，可以达到T HZ；基于光

子晶体光纤构成非线性光纤环镜，利用光子晶体光纤中的自相位调制效应，不加入控制脉冲实现光开关。研究表明高非线性光子晶体光纤的非线性系数γp越大、长度L越长，开关的性能也就越好，并且该光开关具有降低噪声和脉冲整形的功能；基于高非线性光子晶体光纤构成非线性光纤环镜，使用平行排列的3×3光纤耦合器，利用光子晶体光纤中的交叉相位调制效应使反向传输的两路信号光产生非线性相移，从而实现了双端口输出光开关。此光开关可用于实现开关信号检测、时钟提取和信号处理等功能，是实现双环全光缓存器的基础。

3.学位论文池灏光突发交换技术和光子晶体光纤的研究2003

该报告分为两部分,第一部分是光突发交换技术的研究,第二部分是光子晶体光纤的研究.在第一部分,我们首先在第一和第二章中讨论了光突发交换及其在下一代光互联网中的应用,光突发交换技术的研究进展;研究了分时隙和不分时隙情况下的变长分组的光交换;研究了有光缓存情况下的交换策略和光缓存配置;讨论了共享缓存情况下的调度算法,并提出了一种复合调度算法;针对多业务环境,提出基于波长的类间带宽管理方案,并给出并研究了三类波长分配算法;提出了一种能同时支持突发交换和电路交换的多粒度光路由器.在第二部分,我们首先讨论了光子晶体光纤的原理、应用和研究进展,然后分别研究了光子晶体光纤的色散特性和非线性特性及其诸多潜在应用,最后讨论了光纤光栅在掺铒光纤放大器增益平坦中的应用.

4.期刊论文池灏.蒋铭.赵焕东.曾庆济光子晶体光纤的非线性效应及其应用研究进展-半导体光电2003,24(5)

光子晶体光纤在光器件的集成化、小型化乃至大幅降低其成本方面都有着重要的应用前景.介绍了光子晶体光纤的各类非线性效应及其潜在应用,重点讨论基于光子晶体光纤的光开关实现方案,并提出一种基于M-Z干涉的光子晶体光纤光开关方案,对其可行性进行了探讨.

5.学位论文段军光子晶体光纤的特性分析及其在全光开关器件中的应用2006

本论文工作是围绕以下项目展开的：以任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”(项目编号：2003CB314900)；国家高技术研究发展计划(863计划)项目“单结构与多结构集成式光子晶体光纤及器件

”(项目编号：2003AA311010)；教育部科学技术重大研究项目“基于微结构光纤的新一代光通信器件及系统”(项目编号：104046)；北京教委共建项目(项目编号：XK100130437)。

光子晶体光纤(photoniccrystalfibers，简称PCF)是一种沿光纤端面存在周期性介电结构排列的特殊光纤。与普通光纤相比，它表现出许多优异的特性，如无限单模传输，色散和模场面积高度可控，高双折射等等。这些特性使PCF在光通信中具有广阔的应用前景，例如PCF可用来扩展光通信的波段，可用于色散补偿、脉冲压缩、短波孤子传输、超宽连续谱发生以及基于PCF的各种光纤器件等。

本论文对PCF的特性和应用、制作方法、理论分析方法和发展现状进行了综述，在此基础上，对光子晶体光纤的模场传输特性进行了数值模拟和分析，同时进行了基于光子晶体光纤的全光开关的实验研究。主要内容如下：

1.综合比较了光子晶体光纤的各种理论模型，分析表明正交函数法可以准确地刻画光子晶体光纤的折射率分布和模场分布，而且利用模场分解函数的正交归一化性质可将波动方程的求解转化为矩阵的特征值求解，计算速率较高、精度较好，所以本论文选用正交函数法作为基本理论分析方法；

2.利用正交函数法研究了光子晶体光纤的模场特性。分析了光子晶体光纤的模场分布特点，计算了光纤的有效模场面积、数值孔径。研究了PCF的模场面积对空气孔直径和孔间距的依赖关系，对不同大小模场面积PCF的实际应用做了讨论；

3.研究了PCF的色散特性，分析了光子晶体光纤的结构参量对其色散特性的影响，设计出三种有重要应用价值的光子晶体光纤结构，包括：零色散点在800nmPCF、在1550nm处色散值为6ps/nm/km的色散平坦PCF和1550nm处色散值达到-1700ps/nm/km的可用于色散补偿的PCF。

4.与人合作，在1550nm通信波段、10Gb/s光传输系统中进行了以光子晶体光纤为非线性介质的全光开关实验研究。制作了以高非线性PCF作光学介质的非线性光环镜(NOLM)，并做出了基于非线性光纤环镜的全光开关，得到了时域内很好的光开关脉冲形状，分析表明该光开关还具有波长变换的功能。

6.期刊论文李善甫.文双春.LI Shan-fu.WEN Shuang-chun基于光子晶体光纤中脉冲俘获的超高速光开关-光子学

报2007,36(2)

提出一种基于光子晶体光纤中脉冲俘获现象的超高速全光开关.信号脉冲处于正常色散区,它们彼此的时域间隔为1 ps.通过数值求解光子晶体光纤中脉冲传播满足的耦合非线性薛定谔方程,发现用孤子脉冲可俘获信号脉冲串中的任何一个脉冲,被俘获的信号脉冲的中心波长明显蓝移,在频域上和其他信号脉冲分离开来,于是让信号脉冲串在输出端通过布喇格光纤光栅,被俘获的信号脉冲将被过滤掉.数值模拟表明,用脉冲俘获实现的光开关响应速率可以达到1 THz.

7.学位论文张磊光子晶体光纤特性及UNI解复用特性研究2005

本论文是作者参与国家自然科学基金项目“Tb/s光分组交换关键技术研究”以及国家项目863“多粒度光交换”的主要工作。主要是光子晶体光纤的性能分析和基于UNI的光开关的性能分析。利用厄米高斯展开算法对光子晶体光纤的色散、双折射特性进行了分析，并对传统的UNI结构进行改进，提出了一种可以操作在80Gb/s的光开关。第一部分：光子晶体光纤特性分析(二至四章)利用标量的厄米高斯算法得出了色散曲线，并首次研究了零色散波长随光子晶体结构参数的变化曲线。首次利用改进的厄米高斯算法来研究四孔双折射光子晶体光纤的双折射特性，并得到了预期结果。第二部分：基于UNI和高非线性光纤的光开关特性分析(第五章)提出了一种新的UNI结构，即利用高非线性光纤代替干涉仪中的SOA作为非线性介质，提高了解复用速率。对影响UNI性能的参数进行了分析，并采用合理的手段抑制了不利因素，提高了器件性能。

8.学位论文温福正微结构光纤填充方法及其功能器件的研究2007

光子晶体光纤(photonic crystal fiber:PCF)因其具有独特的传光特性，近年来受到世界各国科学家的关注，成为光学领域中一个新的研究热点。它是一种带有线缺陷的二维光子晶体，以光纤的形式存在。其结构特点是横截面上存在着沿光纤轴向无限延伸的周期性分布的微气孔结构，又被称为微结构光纤。空气孔的引入，使得光子晶体光纤具有传统光纤无法实现的新的特性。改变空气孔大小和排列，向空气孔中填入特定的物质会改变光纤的传光特性，因此可实现新的功能器件，本论文结合“973”项目，对微结构光纤填充方法及功能器件进行研究。

本文首先介绍了微结构光纤的发展过程及研究现状，概括了微结构光纤不同于传统光纤的特性；阐述了用于理论分析的数值计算方法，详细介绍说明了光束传输法(bearn propagation method)；然后在研究光子晶体光纤基本性质的基础上，围绕对光子晶体光纤进行填充这一主题，深入研究了液晶材料的光电特性，集中概括了现有的几种全部填充和选择填充方法，针对填充方法难度大的现状提出了一种简便实用的选择填充方法，并用光束传输法对其进行了数据模拟；总结归纳了多种近几年国外报道的基于材料填充的微结构光纤功能器件，自行设计了基于液晶材料填充的可调谐滤波器，光开关，起偏器，高双折射光纤环镜等功能器件。主要研究内容如下：

1．介绍了光子晶体光纤的基本概念、分类、特性及其历史和现状。

2．概括说明了几种对光子晶体光纤进行理论分析常用的数值模拟方法的原理、特点和适用范围。重点说明了光束传输法的特点。

3．学习研究了液晶材料的光电特性，主要研究了其电控双折射效应及液晶分子在光子晶体光纤结构中的排列方式。

4．针对向光子晶体光纤空气孔中引入材料这一研究方向，总结了现有的几种填充方法，包括全部填充和选择填充。提出了一种称为单孔光纤法的简便实用的选择填充方法，并用光束传输法进行了模拟，模拟结果说明此方法比现在国外介绍的几种方法要简单实用。

5．在总结归纳了近几年国外基于微结构光纤填充功能器件报道的基础上，自行设计了基于液晶填充的可调谐滤波器、光开关、起偏器、高双折射光纤环镜等功能器件，进行了理论分析与数值模拟。

9.期刊论文姚敏.文双春.雷大军.YAO Min.WEN Shuang-chun.LEI Da-jun光子晶体光纤中抽运脉冲参量对脉冲俘

获的影响-半导体光电2007,28(2)

用数值方法研究了超短脉冲在光子晶体光纤中传输时的俘获特性,得到了抽运脉冲参量对脉冲俘获率的影响规律.结果表明,对同一脉宽的抽运脉冲,随着抽运脉冲与信号脉冲的中心时延增大,俘获率的变化有一起伏过程,存在最大俘获率,而信号脉冲蓝移和抽运脉冲红移范围与时延无关.而随着脉宽增加,对应的最大俘获率和相应的时延都减小,信号脉冲的蓝移和抽运脉冲的红移都加大.因此,通过适当调控抽运脉冲的有关参量,可获得最佳的脉冲俘获率,进而达到提高光开关效能的目的.

10.学位论文孟照方基于光纤光栅的温度不敏感生化传感器及全光开关研究2009

光纤光栅由于其优良的特性，是近年来研究的一个热点，广泛应用于全光通信、传感等诸多领域。论文对温度不敏感光纤光栅生化传感器，以及光

纤光栅的非线性开关特性进行了深入的研究，主要作了以下三个方面的工作。

1．研究了温度对光纤光栅生化传感器的影响，研究表明温度对光纤光栅本身参数的影响和溶液折射率的影响会都造成布拉格波长漂移，最后得出布拉格波长漂移与温度之间的数值关系；设计了温度补偿方案，选用了半光栅蚀刻法，对不同低浓度和高浓度溶液采取不同的补偿方法。

2．讨论了利用高非线性光子晶体光纤中的布拉格光栅的交叉相位调制效应实现全光开关的理论模型，在理论模型的基础上建立了相关的数值模型

，并用显式差分法对数值模型进行求解，对不同参数设置情况下的光开关特性分别进行了深入的研究。

3．利用分步傅立叶方法和精确的龙格库塔法对长周期光纤光栅的归一化非线性耦合模方程进行数值分析，得出了谐振情形和非谐振情形下，弱光输入和强光输入脉冲在长周期光纤光栅中的非线性传输特性。纤芯输出光强随纤芯输入光强的变化表明在谐振情形下，光开关特性对应先断后通的情况

；非谐振情形下，光开关特性对应先通后断、再到通的情况。

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