摻鉺光纖耦合器及其在薩格奈克干涉儀光開關中的應用.pdf

1、為了解決目前通訊網絡中電子開關對網絡容量升級的瓶頸限制，人們開始廣泛研究光開關。較早研發(fā)的電控光開關目前已有商用產品，但是這類開關不能滿足未來全光網絡的要求，因此光控光開關，即全光開關，始終是人們研究的重點。全光開關一般基于介質的非線性光學特性，通過控制泵浦光或者信號光的功率來改變信號光的輸出狀態(tài)。但是由于普通石英光纖的非線性系數很小，目前已研發(fā)的全光開關，都需要很大的開關功率。因此我們的研究圍繞著如何降低開關功率而展開。
　　在

2、980nm泵浦光作用下，C波段的信號光在摻鉺光纖放大器內可得到很大的增益，根據Kramers-Kronig關系，獲得增益的同時，應伴隨著依賴于泵浦光強的折射率變化，這種非線性光學現象被稱為共振非線性。
　　本文首先在理論上分析了摻鉺光纖的共振非線性。從光纖內摻雜的鉺離子的能級躍遷出發(fā)，采用復極化率，推導出摻鉺光纖的非線性折射率和增益系數隨泵浦光功率變化的表達式，我們發(fā)現隨著泵浦光功率的增加，非線性折射率和增益系數都在迅速增加，且當

3、泵浦功率較大時，二者增加變慢，最終達到飽和狀態(tài)。此外，我們對比了共振非線性和光克爾效應，得出光克爾效應是低功率下共振非線性的線性近似的結論，并計算了摻鉺光纖的非線性折射率系數。由于該數值比普通石英光纖高5個數量級，采用相同結構，以摻鉺光纖代替普通光纖，有可能實現低閾值功率的全光開關。
　　在對單根摻鉺光纖共振非線性分析的基礎上，我們系統(tǒng)研究了摻鉺光纖非線性耦合器。從耦合模式理論出發(fā)，采用復傳播常數，推導了摻鉺光纖非線性耦合器的輸出

4、功率耦合比。分別討論了泵浦光和信號光在摻鉺光纖耦合器內的不同傳輸特性。對泵浦光，由于它的功率較大，分析中考慮了泵浦光的自相位調制特性。計算結果表明，對于信號光分光比為3dB的耦合器，99％以上的980nm泵浦光在直通臂內傳輸；分析信號光時，考慮到泵浦光引起的兩臂內共振非線性的差異。數值模擬表明當泵浦光功率從0增加到10mW時，直通臂輸出功率耦合比從50%增加到100%，泵浦光功率進一步增加，輸出功率耦合比達到飽和。
　　此外我們對

5、摻鉺光纖耦合器的理論分析進行了實驗驗證。通過優(yōu)化制作工藝和多次實驗，首次利用熔融拉錐系統(tǒng)成功制作了直通臂分光比為57%的摻鉺光纖耦合器。同時輸入980nm泵浦光和1550nm信號光，將泵浦光功率從0增加到20mW，信號光直通臂耦合比由57%增加到96%，增加了40%，繼續(xù)增加泵浦光功率，耦合比趨于飽和。此實驗結果與理論模擬結果基本一致，從而驗證了我們摻鉺光纖非線性耦合器理論分析的正確性。
　　由于摻鉺光纖耦合器輸出功率耦合比的變化

6、在50%左右，需要通過改進才能實現完全的光開關。因此我們設計了具有摻鉺光纖耦合器的非線性Sagnac干涉儀型全光開關，利用耦合模理論討論了其自泵浦和互泵浦兩種工作方式。Sagnac干涉儀是通過連接3dB耦合器的兩個輸出端構成的，大部分研究者提出的Sagnac干涉儀光開關是基于環(huán)內克爾效應的，我們稱其為第一類Sagnac干涉儀開關。
　　我們提出的Sagnac干涉儀在互泵浦工作方式時，開關通過980nm泵浦光改變耦合器的耦合比（從5

7、0%改變到100%）實現，開關功率為泵浦光功率，在毫瓦量級，開關功率和環(huán)長度乘積僅為0.01W·m，與第一類 Sagnac干涉儀開關相比，該值減小了1000倍。當其以自泵浦方式工作時，一方面980nm泵浦光產生耦合器耦合比差異，另一方面信號光功率被放大，環(huán)內克爾非線性被增強，當信號光功率增加到毫瓦量級時，可以實現開關，開關功率和長度環(huán)乘積可以達到0.02W·m。此外自泵浦工作方式中，可以通過改變980nm的泵浦光功率對信號光的開關功率進