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微环谐振腔快慢光特性与非线性开关效应的研究

【摘要】:随着通信网络技术的迅猛发展,人类社会的物质文明和精神文明得到高度提高,对现有的信息需求量、传输速度有了更高的要求。全光网络的发展势在必行,全光网络不需要经过光-电-光的转换,所有信息的交换与传输均是在光域中进行,传输效率得到极大的提高,现存的电子瓶颈问题得以解决。微环谐振腔凭借其体积小、构造简单、性能稳定等一系列特点,作为构造全光网络的基础元件。微环谐振腔具有广泛的应用,比如全光开关、滤波器、缓存器、光纤传感等领域,微环谐振腔已成为当下光学领域热门的研究对象。本文主要对基于光栅的单环与双环谐振腔两种结构的快慢光特性和非线性开关效应进行了研究,具体的工作和主要的研究结果如下:首先,论文对光纤耦合器的工作原理进行了详细阐述。原理部分的介绍包括耦合模理论,以及由此推导得出了传输矩阵。耦合器作为微环谐振腔中的重要组成部分,本文接着介绍了微环谐振腔的结构及其工作原理,重点讨论了单环谐振腔与级联双环谐振腔两种基础模型。根据耦合器的理论基础及推导得到的传输矩阵方程,本文分析了信号光通过两种微环谐振腔结构中的输出特性。利用理论公式进行推导计算并仿真,分别研究了单环谐振腔与级联双环谐振腔系统的输出信号时延特性、相移特性、透射系数特性。通过两个微环谐振腔系统的输出特性对比,还研究了微环个数的改变对输出特性的影响。其次,在微环谐振腔的理论基础下,本文研究了基于光栅的单环谐振腔的输出特性与基于光栅的级联双环谐振腔的输出特性,其输出特性主要从时延特性、相移特性、透射系数特性三个方面进行分析。在无光栅引入下的单环谐振腔,信号光从直波导的一端加入,输出端口有两个,在谐振点处各个端口有慢光的产生。随着光栅的引入,单环谐振腔系统输出端口的个数增加,谐振点的位置发生改变,以及输入信号所在的直波导的输出端(直通端)会出现快慢光共存的现象,并且慢光的延时量会变小。由于光栅的透射与反射特性,单环谐振腔系统由原来的两个输出端口增加到各个端口均会有光输出,且所增加端口的输出光表现为慢光。光栅的引入会改变各个输出端口的延时量,相位的变化幅度也会变大。基于光栅的级联双环谐振腔系统的理论模型是在基于光栅的单环谐振腔基础上,在微环上级联一个相同微环构成的。引入光栅后的双环谐振腔,相比于无光栅下的级联双环谐振腔系统,在输入信号所在的直波导的输出端同样会出现输出快慢光共存的现象,并且慢光的延时量变小。光栅的引入同样也使得其他所有端口均有光输出,增加的输出端口的输出光表现为慢光。通过光栅的引入,级联双环谐振腔系统的输出端口延时量发生了改变,且各个输出端口相位变化幅度变小。之后,本文还分析了交叉耦合系数的变化对级联双环谐振腔系统传输特性的影响,我们得出:交叉耦合系数的增加,使得引入光栅下的级联双环谐振腔系统的直通端输出光的延时量增大,而另外两个下载端的延时量会变小;各个输出端口的透射系数随交叉耦合系数变化如下:在交叉耦合系数变大的情况下,直通端的透射系数减小,两个下载端的透射系数却增大。同时还发现,交叉耦合系数的改变对输出信号相位的影响可忽略不计。最后,本文介绍了基于单环谐振腔系统的光调制器模型和基于双耦合器微环谐振腔系统的光开关模型。对于弱信号光,在单环谐振腔系统上下两个耦合器耦合系数相同情况下,无泵浦光加入下,信号光从下载端输出;在泵浦光加入后,使得直通端也会产生输出。下载端的透射功率与透射系数会随着加入的泵浦光功率的增大而减小,反之,直通端的透射功率和透射系数会随着加入泵浦光功率的增大而增大。通过改变泵浦光功率实现下载端与直通端之间功率的转移,实现一种光调制器结构的设计。同时,随着耦合系数的改变,输出端口的临界功率也发生了改变。接着我们分析了基于双耦合器微环谐振腔系统的光开关模型:在双耦合器微环谐振腔系统中,当上下两个耦合器的参数相同时,信号光完全从下载端透射出去;当上下两个耦合器的反射率完全接近于1且不相等时,此时信号光完全从直通端反射出去。由此我们能够以调控上下耦合器的反射率的方式实现一种光开关。

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