基于Sagnac干涉仪的光逻辑门研究

发布时间：2017-09-06 18:34

  本文关键词：基于Sagnac干涉仪的光逻辑门研究

  更多相关文章： 光纤耦合器 Sagnac干涉仪 克尔效应 电光效应 掺铒光纤放大器

【摘要】：随着密集波分复用技术的不断发展,光纤传输系统的容量迅速增长,电子交换系统的压力越来越大,促使人们开始对光交换系统进行研究,以真正实现全光网络。全光逻辑器作为实现全光交换和全光计算的重要元件引起人们的广泛关注,国内外学者提出了大量可行的实施方案,然而现今的光逻辑器件尚不具备复杂的处理能力且价格昂贵,各项参数还不达标,要想完全取代电控逻辑门实现商用化仍需大量的努力。因此,论文也对其进行了研究,本文主要利用电光效应和克尔效应,对环中放置电光波导的Sagnac干涉仪光逻辑门和环中偏置掺铒光纤放大器的Sagnac干涉仪全光逻辑门进行了研究,具体的工作和主要研究结果如下:首先,论文通过耦合模理论推导出线性对称耦合器的耦合矩阵,并利用该矩阵对其传输特性做了简单分析。同时还介绍了Sagnac干涉仪的结构和工作原理,根据耦合矩阵得到对称和非对称Sagnac干涉仪的传输方程,分别对其开关特性和逻辑功能进行了分析,结果表明如果能在构成Sagnac干涉仪的波导环或耦合器上实现非对称,那么就可以利用该模型同时完成光开关和光逻辑运算。其次,论文设计了基于电光(Pockel)效应的Sagnac干涉仪光逻辑器,用环形器将在环中相向传输的两束光分开,使它们分别沿两根参数相同但外加反向直流电压的铌酸锂电光波导传输,即依据电光效应在环中构造非对称。利用耦合矩阵得到该系统的传输方程,在输入信号的初始相位相同和不同的情况下,通过仿真输出透射率和消光比曲线,讨论了各自的开关特性和逻辑功能。当输入信号的初始相位相同时,分析了透射率和消光比随电压变化的情况,结果表明:通过改变外加直流电压的值,信号可以在两输出端之间周期性的切换,选取合适的电压值可以实现开关功能和或门、异或门等多种逻辑运算。当输入信号的初始相位不同时,分析了透射率和消光比随电压和信号相位差变化的三维曲线图,结果表明:一个信号输入时其相位对输出没有影响,而两个信号输入时信号的相位差也可以实现开关效应,且相位差使得消光比的变化范围更大,这样选取合适的相位差和电压值能得到性能更好的逻辑运算。由此可见,论文可以通过改变电压或相位差的值来实现光开关和光逻辑运算,而且该结构使光信号一直保持在光域上,直流电压只是改变光的折射率而并没有引起光与电的转换,所以也算得上是全光器件。最后,主要介绍了环中偏置掺铒光纤放大器(EFDA)的Sagnac干涉仪全光逻辑器,将EDFA偏置在高非线性环中,由于克尔(Kerr)效应的存在会出现自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM),这样环中相向传输的两路信号就会产生不一样的非线性相移,同样可以在环中实现非对称。通过研究不同耦合系数下归一化透射率和相对透射率及消光比的变化情况,得出其开关特性和逻辑功能。结果表明:加到EDFA中的泵浦光的功率与输入光的相位差都可以实现开关功能;当信号初始相位一样时,直通耦合系数越小,阈值开光功率越大,两输出端功率相等时所需的放大倍数越大,且并非放大倍数越大输出端的输出功率就越大,而耦合系数对消光比的影响主要体现在变化范围、变化斜率和极值点上,且影响不是很明显;当把信号初始相位差也考虑在内时消光比有更大的变化范围,所能实现的逻辑运算种类更多且性能相对更佳。
【关键词】：光纤耦合器 Sagnac干涉仪 克尔效应 电光效应 掺铒光纤放大器
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744.3
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 全光逻辑门研究概论11-14
• 1.1.1 全光逻辑门的研究背景11-12
• 1.1.2 全光逻辑门的应用12-14
• 1.2 全光逻辑门的实现方案14-15
• 1.2.1 基于SOA的全光逻辑门14
• 1.2.2 基于高非线性光纤的全光逻辑门14-15
• 1.3 Sagnac干涉仪的发展历史及其应用15-17
• 1.4 基于Sagnac干涉仪的全光逻辑门的研究现状17-18
• 1.5 论文的主要研究内容和结构安排18-20
• 第2章 耦合器及Sagnac干涉仪的工作原理20-32
• 2.1 耦合器的基本原理20-24
• 2.1.1 耦合模方程20-22
• 2.1.2 线性对称耦合器的矩阵方程22-24
• 2.2 Sagnac干涉仪的工作原理24-25
• 2.2.1 Sagnac干涉仪的结构24
• 2.2.2 Sagnac干涉仪的传输方程24-25
• 2.3 对称耦合器构成的Sagnac干涉仪的开关特性及逻辑功能25-29
• 2.3.1 开关特性分析25-27
• 2.3.2 逻辑功能分析27-29
• 2.4 非对称耦合器构成的Sagnac干涉仪的开关特性及逻辑功能29-31
• 2.4.1 开关特性分析29-30
• 2.4.2 逻辑功能分析30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 环中放置电光波导的Sagnac干涉仪光逻辑门的研究32-44
• 3.1 环中放置电光波导的Sagnac干涉仪光逻辑门的结构32-33
• 3.2 环中放置电光波导的Sagnac干涉仪光逻辑门的工作原理33-34
• 3.3 环中放置电光波导的Sagnac干涉仪的逻辑功能分析34-42
• 3.3.1 初始相位相同时的开关特性34-36
• 3.3.2 初始相位相同时的逻辑功能36-37
• 3.3.3 初始相位不同时的开关特性37-41
• 3.3.4 初始相位不同时的逻辑功能41-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 环中偏置EDFA的Sagnac干涉仪全光逻辑门的研究44-59
• 4.1 环中偏置EDFA的Sagnac干涉仪全光逻辑门的结构44-45
• 4.2 环中偏置EDFA的Sagnac干涉仪全光逻辑门的工作原理45-48
• 4.3 环中偏置EDFA的Sagnac干涉仪的逻辑功能分析48-58
• 4.3.1 初始相位相同时的开关特性48-52
• 4.3.2 初始相位相同时的逻辑功能52-54
• 4.3.3 初始相位不同时的开关特性54-55
• 4.3.4 初始相位不同时的逻辑功能55-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 总结与展望59-61
• 5.1 总结59-60
• 5.2 展望60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-66
• 附录66

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本文编号：804775