非对称波导耦合器开关和传输特性研究

摘要

在目前半透明光网络中,仍然采用以电开关为核心的交换技术,但是随着光纤通信技术的不断进步与业务数据量的不断增长,电开关极大的限制了光网络的吞吐量,成为限制其进一步发展的瓶颈。为了有效的克服电开关带来的电子瓶颈,在未来全光网络中,全光开关将取而代之。全光开关作为超高速、超大容量光网络的基石,一直以来备受关注。由于非线性定向耦合器能够实现全关开关操作并且具有较快的开关速度,近年来成为了研究的热点。以往的非线性定向耦合器的研究中,一般情况下都假设组成耦合器的两波导是对称的。但是,生产两个完全一样的波导是十分困难的,甚至是不可能的。因此,本文主要研究两种两波导不相同的非对称非线性定向耦合器,具体的工作和主要研究结果如下:
　　 首先,我们介绍了两种非对称非线性定向耦合器。其中一种由两不相同的传统光纤波导组成,称为传统光纤非对称非线性定向耦合器:另一种由一正折射材料波导和一负折射率材料波导组成,称为非线性反向耦合器。在传统光纤非对称非线性定向耦合器的研究中,我们首先引入了四个非对称参数来表示耦合器的非对称量度,分别为:相速度失配、群速度失配、色散特性差异、有效模场面积差异。在非线性反向耦合器的介绍中,我们首先对负折射率材料进行了简单介绍,另外,还对两波导之间的传播常数失配做了介绍,并仿真分析了反射谱和传播常数失配之间的关系曲线图。
　　 其次,我们分别对描述两种耦合器中光脉冲传输的非对称非线性耦合模方程组和非线性反向耦合模方程组进行了简单介绍。另外,分别采用了适当的归一化变量对两耦合模方程组进行了归一化。
　　 再次,分别采用变分法和分步傅里叶变换数值模拟法对光纤非对称非线性耦合器中的孤子开关特性和孤子传输特性进行了分析。研究结果表明,不但开关的阈值功率与非对称参数有关,而且脉冲的传输演化特性也与非对称参数有关。因此,我们可以通过选择合适的非对称参数,使非对称非线性定向耦合器具有良好的开关和传输特性。
　　 最后,介绍了有限时域差分法并首次引入了有限空域差分法对非线性反向耦合模方程进行分析。通过上述两种方法,首先,分析了非线性情况下,非线性反向耦合器的反射谱和透射谱,另外,重点研究了非线性反向耦合器的孤子开关特性和脉冲演化特性。研究结果表明:增大第一波导的传播常数能够有效的降低开关的阈值功率;与此同时,无论两波导的传播常数失配是否存在,耦合过程中都存在脉冲走离现象。