基于硅纳米线超快横模转换全光开关时间特性的研究

摘要

“大数据”时代爆炸式的数据量对光纤传输容量和数据交换节点速率提出了严峻的挑战。一方面，空分复用技术采用空间维度作为传输信道，可以突破现有的单模光纤的传输容量极限。另一方面，全光开关可以克服数据交换节点中的电子瓶颈问题，具备超快的数据交换能力。伴随着空分复用技术的迅速发展，全光开关有了新的研究对象和内容。 本文基于四波混频的机理，搭建了用来分析时间演化过程的仿真模型，研究了一种基于硅纳米线适用于空分复用系统的全光模式转换开关。由于硅纳米线具有高的非线性系数，小的有效面积和可忽略的色散，因而研究的硅纳米线的光开关具有低泵浦功率，高转换效率，THz开关带宽的特性。其主要研究结果概述如下： 首先，详细的阐述了基于四波混频效应的全光模式转换基本原理，给出了四个模式参与的四波混频效应的相位匹配条件。推导了包含三阶克尔效应和模式耦合非线性系数的多模非线性薛定谔方程。通过分步傅里叶法和四阶龙格库塔法，搭建了数值求解多模非线性薛定谔方程的MATLAB平台。 其次，通过优化波导长度、探测光脉冲宽度以及泵浦与探测脉冲之间的时间延迟，有效的改善了群速度失配对光开关转换效率的影响。从而在mm级长度的硅纳米线中和120pJ的单脉冲开关能量下，实现了超过90％的转换效率，这比基于Si3N4波导的模式转换开关功率小7倍。 最后，该超快模式转换光开关被应用在空分复用和时分复用混合系统中，实现了模式TM0和TM1对模式TE0和TE1在160Gbit/s的高速时分复用信号上的开关控制。在波长保持的情况下，完成了10Gbit/s眼图大开的模式数据交换。

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