掺铒光纤耦合器及其在萨格奈克干涉仪光开关中的应用

摘要

为了解决目前通讯网络中电子开关对网络容量升级的瓶颈限制，人们开始广泛研究光开关。较早研发的电控光开关目前已有商用产品，但是这类开关不能满足未来全光网络的要求，因此光控光开关，即全光开关，始终是人们研究的重点。全光开关一般基于介质的非线性光学特性，通过控制泵浦光或者信号光的功率来改变信号光的输出状态。但是由于普通石英光纤的非线性系数很小，目前已研发的全光开关，都需要很大的开关功率。因此我们的研究围绕着如何降低开关功率而展开。
　　在980nm泵浦光作用下，C波段的信号光在掺铒光纤放大器内可得到很大的增益，根据Kramers-Kronig关系，获得增益的同时，应伴随着依赖于泵浦光强的折射率变化，这种非线性光学现象被称为共振非线性。
　　本文首先在理论上分析了掺铒光纤的共振非线性。从光纤内掺杂的铒离子的能级跃迁出发，采用复极化率，推导出掺铒光纤的非线性折射率和增益系数随泵浦光功率变化的表达式，我们发现随着泵浦光功率的增加，非线性折射率和增益系数都在迅速增加，且当泵浦功率较大时，二者增加变慢，最终达到饱和状态。此外，我们对比了共振非线性和光克尔效应，得出光克尔效应是低功率下共振非线性的线性近似的结论，并计算了掺铒光纤的非线性折射率系数。由于该数值比普通石英光纤高5个数量级，采用相同结构，以掺铒光纤代替普通光纤，有可能实现低阈值功率的全光开关。
　　在对单根掺铒光纤共振非线性分析的基础上，我们系统研究了掺铒光纤非线性耦合器。从耦合模式理论出发，采用复传播常数，推导了掺铒光纤非线性耦合器的输出功率耦合比。分别讨论了泵浦光和信号光在掺铒光纤耦合器内的不同传输特性。对泵浦光，由于它的功率较大，分析中考虑了泵浦光的自相位调制特性。计算结果表明，对于信号光分光比为3dB的耦合器，99％以上的980nm泵浦光在直通臂内传输；分析信号光时，考虑到泵浦光引起的两臂内共振非线性的差异。数值模拟表明当泵浦光功率从0增加到10mW时，直通臂输出功率耦合比从50%增加到100%，泵浦光功率进一步增加，输出功率耦合比达到饱和。
　　此外我们对掺铒光纤耦合器的理论分析进行了实验验证。通过优化制作工艺和多次实验，首次利用熔融拉锥系统成功制作了直通臂分光比为57%的掺铒光纤耦合器。同时输入980nm泵浦光和1550nm信号光，将泵浦光功率从0增加到20mW，信号光直通臂耦合比由57%增加到96%，增加了40%，继续增加泵浦光功率，耦合比趋于饱和。此实验结果与理论模拟结果基本一致，从而验证了我们掺铒光纤非线性耦合器理论分析的正确性。
　　由于掺铒光纤耦合器输出功率耦合比的变化在50%左右，需要通过改进才能实现完全的光开关。因此我们设计了具有掺铒光纤耦合器的非线性Sagnac干涉仪型全光开关，利用耦合模理论讨论了其自泵浦和互泵浦两种工作方式。Sagnac干涉仪是通过连接3dB耦合器的两个输出端构成的，大部分研究者提出的Sagnac干涉仪光开关是基于环内克尔效应的，我们称其为第一类Sagnac干涉仪开关。
　　我们提出的Sagnac干涉仪在互泵浦工作方式时，开关通过980nm泵浦光改变耦合器的耦合比（从50%改变到100%）实现，开关功率为泵浦光功率，在毫瓦量级，开关功率和环长度乘积仅为0.01W·m，与第一类 Sagnac干涉仪开关相比，该值减小了1000倍。当其以自泵浦方式工作时，一方面980nm泵浦光产生耦合器耦合比差异，另一方面信号光功率被放大，环内克尔非线性被增强，当信号光功率增加到毫瓦量级时，可以实现开关，开关功率和长度环乘积可以达到0.02W·m。此外自泵浦工作方式中，可以通过改变980nm的泵浦光功率对信号光的开关功率进行控制，开关具有更大的灵活性。总之，掺铒光纤耦合器构成的Sagnac干涉仪光开关具有低功率、小尺寸等特点，有望成为最早应用在未来全光通讯系统中的全光开关方案。

目录

掺铒光纤耦合器及其在萨格奈克干涉仪光开关中的应用

ERBIUM-DOPED FIBER COUPLER AND ITS APPLICATION IN SAGNAC INTERFEROMETER OPTICAL SWITCH

摘要

Abstract

Contents

第1 章 绪 论

1.1 光开关的研究目的和意义

1.1.1 光交叉连接

1.1.2 保护型光开关

1.1.3 光分插复用

1.1.4 光信号监控

1.1.5 网络构造

1.2 电控光开关的研究现状和分析

1.2.1 机械式光开关

1.2.2 微电机系统

1.2.3 电光开关

1.2.4 热光开关

1.2.5 液晶开关

1.2.6 气泡开关

1.2.7 声光开关

1.2.8 半导体放大器开关

1.3 光控光开关的研究现状及分析

1.3.1 非线性耦合器型全光开关

1.3.2 马赫-曾德尔干涉仪型全光开关

1.3.3 非线性萨格奈克干涉仪型全光开关

1.4 研究课题来源及论文主要研究内容

第2 章 掺铒光纤共振非线性

2.1 掺铒光纤能级分布

2.2 非线性极化率

2.3 非线性折射率和增益系数

2.4 共振非线性响应时间

2.5 与光克尔效应的比较

2.6 本章小结

第3 章 掺铒光纤非线性耦合器

3.1 掺铒光纤非线性耦合器结构

3.2 耦合模式方程

3.3 泵浦光在掺铒光纤非线性耦合器内的传输

3.4 信号光在泵浦掺铒光纤非线性耦合器内的传输

3.5 本章小结

第4 章 掺铒光纤非线性耦合器实验

4.1 掺铒光纤非线性耦合器的制作

4.2 掺铒光纤非线性耦合器性能测试

4.2.1 光源测试

4.2.2 波分复用器测试

4.2.3 掺铒光纤非线性耦合器测试

4.3 实验结果分析

4.4 本章小结

第5 章 非线性萨格奈克干涉仪光开关

5.1 萨格奈克干涉仪结构

5.2 萨格奈克干涉仪型全光开关

5.2.1 利用环内非线性相位调制实现开关

5.2.2 改变耦合器耦合比实现开关

5.3 掺铒光纤耦合器构成的萨格奈克干涉仪光开关

5.3.1 互泵浦工作方式

5.3.2 自泵浦工作方式

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历