基于光纤参量放大器的光交换器件和新型慢光波导的研究

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1、基于光纤参量放大器的光交换器件和新型慢光波导的研究摘要本论文主要研究全光通信网络中的两类关键技术——光交换、慢光。本文主要分为两个部分：一，基于光纤参量放大器的多粒度光交换结构的设计与分析，本研究对参量放大器作为光交换器件的可行性进行了探索，对于推动全光交换网络的发展有重要意义；二，基于光子晶体非对称线缺陷波导的低色散慢光的分析与实现，本研究工作对于推动以慢光为基础的集成光子器件的发展具有重要意义。本论文的主要研究内容如下：第一章为绪论，本章主要对本课题所涉及的理论基础和研究背景进行了综述。首先介绍了交换系统的发展，以及全光交换技术在现代高速通信网中的

2、地位。然后，本章引入光纤参量放大器作为全光交换的主要器件，运用四边带模型分析了双泵浦参量放大器中的三种四波混频过程。最后，介绍了光子晶体的理论基础，以及慢光技术和当今研究中普遍存在的问题，为后面利用光子晶体实现慢光提供理论依据。论文的第二章设计了一种新型的基于双泵浦光纤参量放大器(FPA)的2乘2光开关。该开关通过调节信号光和泵浦光的相对偏振态，可消除双输入信道之间的串扰。本章从经典的非线性薛定谔方程出发，考虑了偏振态和双折射效应，推导出耦合幅度方程组，讨论了2乘2交换的可行性，并且定量给出了交换效率的求解公式。通过仿真，发现交换效率、消光比、串扰值皆

3、与理论值吻合，验证了理论推导的正确性。同时，本章指出FPA光开关可满足多种2乘2交换要求，也可应用于高速交换节点。最后，本章利用可调光纤延迟线解决了FPA光开关输出端口的流量堵塞问题。论文的第三章创造性地提出了非对称的光子晶体线缺陷波导。本章对非对称线波导的不同结构参数进行优化，以获得具有高延迟带宽积（DBP）、低色散、低群速度的慢光。本章通过调整线缺陷两边包层的相对距离和波导邻近的空气孔半径，得到了一条极其平坦的能带曲线。在第II页这条曲线上，可以在10GHz的信号带宽上，获得低群速度(c/50)和低群42速度色散(10ps/km)的慢光。通过有限差

4、分时域法（FDTD）仿真，观察了此波导中的低色散慢光的传输特征.。最后，本章提出了数学模型，将慢光的延迟带宽积与群速度和色散指数联系起来。同时，本章比较了非对称线波导与对称波导的延迟带宽积，发现此结构将DBP提高了两个数量级，进一步论证了非对称结构的优越性。在第三章的基础上，论文的最后部分对非对称光子晶体线缺陷波导继续进行优化。本章通过调整基本的空气孔半径，线缺陷波导的宽度，以便获得具有更低群速度的超慢光。在本章中，得到了包含拐点但不包含极点的极为平坦的色散曲线。本章设计了两种具有不同宽度的非对称波导：前者可以在规一化带宽∆ω=0.00018内提供小于

5、0.0045c的超低群速度，信号色散较大；后者则可以在更宽的带宽∆ω=0.0006内产生0.0038c~0.012c的群速度，信号色散较小，可以用来实现宽带慢光信号的低失真传输。FDTD仿真数值验证了非对称波导中超慢光的传输性能。关键词：光交换，参量放大，偏振态，慢光，群速度色散，延迟带宽积，光子晶体第III页ResearchonOpticalSwitchesBasedonFiberParametricDevicesandNovelSlowLightWaveguidesABSTRACTInthispaper,wefocusontwotypesofopt

6、icaldevicesforallopticalnetwork:opticalswitchandslowlight.Thewholepaperisdividedintotwoparts.First，wedesignandanalyzeall-opticalswitchesbasedonfiberparametricdevices,whichenhancetheswitchingscalabilitycomparedtothetraditionaldevicesinliteratures.Second,weproposeanasymmetricphoto

7、niccrystal(PC)waveguideusedforslowlighttransmission,whichischaracterizedbybothlowgroupvelocityandreduceddispersion.Thisdissertationisorganizedasfollows:Chapter1introducesthedevelopmentofopticalswitchingsystemanditskeyroleinpresenthigh-speedcommunicationnetworks.Weemployfiberpara

8、metricamplifiers(FPA)torealizeefficientall-opti