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无源微波导Sagnac环的光触发器的研究

杨湾  
【摘要】:全光触发器是一类具有一位或多位数字比特存储能力的光器件,是记忆类光器件的最基本单元,能应用到如数据恢复再生、格式转换、包头处理中去。全光触发器是光分组交换和路由的关键组成部分,全光触发器与全光逻辑门等其他基础器件组合能实现全面的光信号处理,彻底突破电子瓶颈的限制,因此,全光触发器将成为高速网络实现的关键因素。本文提出了一类新型无源波导Sagnac环的全光触发器(AOFF)的结构模型,使用高非线性的空芯光子晶体光纤(HC-PCF),缩短了环的距离,提高了耦合效率,减小了传输损耗。以偏振型Sagnac开关为基础,采用输出反馈结构使得输出状态能够记忆存储,设计了同步D型、S-R型、J-K型和T型全光触发器,此类全光触发器具有体积小,传输速率高,功耗小,性能稳定等特点。本课题来自于国家自然科学基金“自由空间光通信的物理层安全与光编码方法研究”(NSFC61671306)和深圳市学科布局项目“基于光编码物理层安全的光通信关键技术研究”(JCYJ20160328145357990)。本文首先从电磁波的麦克斯韦方程到亥姆霍兹方程分析光在光波导中传输的模场理论,再详细介绍了传统Sagnac干涉仪的原理及其非线性响应特性,并从耦合器的数学传输矩阵和正交偏振光在光纤中传输模型入手,推导出开关最小阈值功率,并得出此种开关的数字简化模型。本文就波导全关触发器(D型、S-R型、J-K型、T型触发器)的原理进行了研究,对各种触发器的设计和实现进行了理论分析与说明,采用FDTD(时域有限差分法)作为研究工具模拟了硅波导Sagnac环的设计原理和光传输特性,并使用Optisystem 8.0模拟工具,在系统速率为100 Gb/s环境下进行了功能验证。就仿真模拟结果中出现的现象进行了探讨,对输出波形出现的窄化和基座残留问题,提出了改善方法,并分析了系统误码率,优化了光子晶体光纤的长度、非线性系数和放大器增益对误码率的影响。结果表明与理论分析十分吻合,此类全光触发器传输速率高达100Gb/s,输入功率为0.05mW,响应时间在ps量级,误码率达10-9,体积小便于集成。


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