微环谐振腔的传输及其开关特性研究

【摘要】随着信息量的不断增加和人们对于通信要求的提高，现有网络已经不能支撑人们日益增长的各种全业务通信服务，迫切需要一种新的网络来解决现有网络的电子瓶颈问题。全光网络就是当前最好的选择，它可以解决现有网络中关键的带宽限制问题，在光域上进行所有的信息交换和传输，不需要经过光电转换。然而全光网络的实现需要依赖各种不同性能的光学器件。其中体积小，结构简单，性能稳定的微环谐振腔引起了人们的广泛研究。本文具体的工作和研究成果如下：1.论文简要介绍了光纤耦合器的基本原理；然后根据它的耦合模理论，推导光纤耦合器的的耦合矩阵。平板波导中的微腔与直波导的耦合与光纤耦合器的耦合机制类似，都遵循相同的耦合规则。接着利用光纤耦合器的耦合原理建立最基本的单环微谐振腔和直通/下路型微环谐振腔的理论模型，并介绍这两种不同结构的微环谐振腔系统的工作原理。另外，利用光纤耦合器的耦合矩阵分别推导单环微谐振腔系统和直通/下路型微环谐振腔系统输出端的透射率表达式。并仿真透射率，透射信号的相移，以及透射信号的时延分别跟归一化频率的关系曲线，分析两种不同结构的微环谐振腔系统的基本传输特性。2.对于有源单环微谐振腔系统，主要研究了耦合器的交叉耦合系数对系统输出谐振曲线的影响。增大交叉耦合系数，输出信号的相移曲线在谐振处的斜率减小，同时，输出信号的时延大小减小，带宽变宽。当微环谐振腔内存在增益时，仿真分析增益和谐振腔系统输出信号的时延大小的关系曲线。研究指出：输出信号的时延随增益距离积的增大而增大，此外时延的可调范围与系统的交叉耦合系数有关。在单环微谐振腔的基础上再级联一个微环建立双环微谐振腔系统的理论模型。在介绍双环微谐振腔系统的工作原理之后重点分析了它的传输特性。研究结果表明：双环微谐振腔系统的谐振点个数与两个微环之间的耦合器的交叉耦合系数有关，系统的谐振点会随交叉耦合系数的增大而发生裂变由开始的一个谐振点最后变成四个谐振点。另外，当系统的两个微环内均存在增益时，随着增益距离积的增大，透射端的输出信号时延逐渐减小，而反射端的输出信号时延逐渐增大。由此可见，对于有源微环谐振腔系统，微环内的增益可以动态调整系统的群速度，这为光缓存器的发展奠定了理论基础。3.分析了在非线性情况下，直通/下路型微环谐振腔的传输特性。当系统只输入一路连续波时，由于光在传输过程中的自相位调制，系统的谐振频率会发生偏移。利用这个特性，实现由输入功率诱导直通/下路型微环谐振腔系统在不同频率失谐量处的非线性开关，频率失谐量越小，实现非线性开关效应所需的最小阈值功率越小，而且开关的陡峭性取决于系统的交叉耦合系数。当输入功率不足以诱导系统的非线性开关时，通过对输入光信号的频率调制来诱导直通/下路型微环谐振腔系统的非线性开关。当输入功率较小时，需要较大的调制深度来开启开关。另外，基于微环谐振腔系统的选频滤波特性，论文提出了一种基于微环谐振腔系统的频率可调滤波器。该频率可调滤波器特点在于微环谐振腔的材料中引入了一种电光系数较高的电光聚合物材料，并且在微环的左右电极上接通电源，通过调整调制电压的大小来动态控制微环谐振腔系统的输出波长。研究指出：随着电压的增大，系统的自由频谱范围和精细度缓慢增加；同时，下路端输出信号的时延也会缓慢增大。
【作者】丰昀；
【导师】李齐良；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，信号与信息处理，2014，硕士
【关键词】光纤耦合器；微环谐振腔；传输特性；开关特性；滤波器；

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