基于SOA非线性的全光逻辑门的理论与实验研究

摘要

全光信号处理技术成为开发高速光通信网络的关键技术，全光逻辑运算作为全光信号处理技术的重要组成部分，对未来的光分组交换、全光信号再生、全光波长变换、光计算等方面具有十分深远的影响。在实现全光逻辑运算的多种设计方案中，基于SOA的非线性特性的全光逻辑运算具有一定的优点，这是由于半导体光放大器(SOA：semiconductor optical amplifier)所具有的高非线性和可以高度集成等特点所决定的。SOA可产生多种非线性效应，如交叉增益调制(XGM)效应，交叉相位调制(XPM)效应和四波混频(FWM)等，可用来设计光子开关器件和实现光逻辑运算功能。 本文从分析SOA的理论模型入手，对SOA的各种非线性特性进行了理论分析和实验研究，并对SOA非线性在全光逻辑运算中的应用进行了理论和实验研究，取得一定的结果： (1)、在广泛查阅文献资料的基础上，对半导体光放大器的XGM(交叉增益调制)、XPM(交叉相位调制)、FWM(四波混频)及NPR(交叉偏振旋转)几种非线性效应及其应用进行了较为深入的研究。 (2)、提出了SOA的分段模型理论，并基于这一理论模型，从SOA的载流子速率方程和光波的传输方程出发，用数值方法模拟了SOA的非线性增益饱和特性，并对计算结果进行了分析比较，计算结果与实验相吻合。 (3)、在理论分析的基础上，当有单束连续光、单个脉冲光、脉冲序列以及两束信号光同时入射SOA时，对光与SOA的相互作用、SOA的非线性变化、光信号的输出结果进行了数值模拟和理论分析。 (4)、在理论分析的基础上，结合本课题组的实际情况，设计了基于SOA的交叉增益效应的全光逻辑运算方案，并进行了数值模拟和理论分析。 (5)、提出了基于一种结构实现逻辑非门、与门和或非门的研究方案并进行了数值模拟；该方案结构简单、容易实现、工作波长范围宽等优点。 (6)、搭建了实验光路，对SOA的增益特性、发光特性和XGM特性进行了实验研究，并对基于SOA-XGM效应的全光逻辑NOR门并进行了实验研究；设计了一种基于SOA-XPM的实验方案，本实验方案具有结构简单，易于集成，且不受SOA增益恢复时间的限制，可以提高运行速率等优点。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1.本课题研究的意义

1.2.相关领域的发展情况

1.3.本文的工作

第二章半导体光放大器的非线性效应的理论分析

2.1.XGM(交叉增益调制)理论及其应用

2.2.XPM(交叉相位调制效应)理论及其应用

2.3.FWM(四波混频)理论及其应用

2.4.交叉偏振效应

第三章SOA增益特性的理论研究

3.1.SOA增益特性的理论基础

3.1.1.SOA的稳态增益饱和特性

3.1.2.SOA的动态增益饱和特性

3.2.半导体光放大器增益特性的数值模拟

3.2.1.输入光功率对SOA输出特性的影响

3.2.2.注入电流对SOA输出特性的影响

3.2.3.注入光波长对SOA输出特性的影响

3.2.4.SOA有源区长度对SOA输出特性的影响

3.2.5.总增益受SOA参数的影响

3.2.6.不同参数情况下SOA增益随入射光功率的变化情况

3.3.小结

第四章、SOA-XGM效应的理论研究

4.1.两束连续光同时入射SOA时的数值模拟

4.2.一连续光和一单脉冲光同时入射SOA时的数值模拟

4.3.一连续光和一脉冲序列光同时入射SOA时的数值模拟

4.4.两同码型脉冲序列光同时入射SOA时的数值模拟

4.5.两不同码型脉冲序列光同时入射SOA时的数值模拟

4.6.小结

第五章、SOA非线性特性在全光逻辑门中的应用

5.1.基于一种结构实现逻辑非门、与门和或非门的数值模拟

5.1.1.逻辑非门的数值模拟

5.1.2.逻辑与门的数值模拟

5.1.3.逻辑或非门的数值模拟

5.2.小结

第六章实验部分

6.1.SOA增益和发光特性的实验研究

6.2.增益恢复时间及SOA-XGM效应的实验研究

6.3.基于SOA-XGM的NOR全光逻辑门的实验研究

6.4.小结

第七章总结

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文