基于 PCF 构成非线性光纤环镜实现双端口光开关1.doc

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1、精品论文推荐基于 PCF 构成非线性光纤环镜实现双端口光开关1杨世云，桑新柱，陆川 北京邮电大学光通信与光电子研究院光通信与光波技术教育部重点实验室，北京 (100876) E-mail: ysy582摘要：光子晶体光纤（photonic crystal fiber, PCF）由于具有通过结构设计灵活实现不同光学特性而成为近年来国内外研究的热点，其非线性效应也越来越得到人们的重视。本文基于 高非线性光子晶体光纤构成非线性光纤环镜，使用平行排列的33光纤耦合器，利用交叉相位调制效应使反向传输的两路信号光产生非线性相移，从而实现了双端口输出光开关。研究表明该光开关阈值功率与光子晶体光纤非线性系数、

2、掺铒光纤放大器增益倍数和光纤长度成 反比。此光开关可用于双环全光缓存器，实现开关信号检测、时钟提取和信号处理等功能。关键词：光子晶体光纤；非线性光纤环镜；交叉相位调制；光开关 中图分类号：TN929.111引言实现透明、具有高度生存性的全光通信网是宽带通信网未来发展目标，其中光交换技术 在全光通信系统中发挥着重要的作用，甚至可以说光交换技术的发展在某种程度上也决定了 全光通信的发展。而要实现分组光交换，就必须有高速，偏振无关特性的低成本光开关。大 量的研究表明：高开关阈值、低消光比、低开光速率是目前全光开关迅速发展和应用的最主 要三大障碍。设计灵活、特性奇异的光子晶体光纤（Photonic C

3、rystal Fiber, PCF）的出现为 解决以上障碍提供了可能1-3。利用PCF的高非线性，能够制造出适应光通讯需求的高性能全光开关。Petropoulos等人 利用光子晶体光纤中SPM的频谱展宽效应,通过可调窄带滤波器实现了2R再生和全光开关 4；Sharping等人利用高非线性光子晶体光纤(HN-PCF) 做Sagnac非线性光纤环镜，通过XPM 产生非线性相移实现光开关功能；Larsen等人通过在光子晶体光纤的空气孔中填充液晶,实现 了光开关的功能5；Salgueiro和Zheltikova分别提出利用光子带隙光纤的克尔效应和双芯光子 晶体光纤耦合器也实现了光开关的功能6。本文基于

4、高非线性光子晶体光纤构成非线性光纤环镜，利用33耦合器实现了双端口输 出光开关。此光开关可用于双环全光缓存器，实现开关信号检测、时钟提取和信号处理等功 能。2理论分析非线性光纤环镜(Nonlinear Optical-Loop Mirror，NOLM)，是一种在光纤环路中含有非 线性光学介质的 Sagnac 干涉仪，所以又称之为 Sagnac 干涉仪开关。在普通的非线性干涉仪 中的非线性介质一般是半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）。因为半导 体光放大器有很强的非线性系数，所以很低功率的光信号通过长度不足 1mm 的 SOA 就能 得到 的相

5、移。但是 SOA 的非线性响应速度很慢，典型值是 1ns 左右，大大限制了光开关 的速度。若采用普通单模光纤，上述的类似过程也几乎是瞬时的，因此这种开关的速度非常 快。光子晶体光纤的高非线性系数使得较低的光功率就能在很短的光纤中获得 的相移，大 改进了这种器件的集成度和小型化。1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（No.20070013001）的资助。-7-2.1 结构图与原理图 1 双端口光开关结构图7图 2 平行排列 3X3 耦合器图 1 中 C1 是 12 的 3dB 耦合器；CI1、CI2 和 CI3 是三个环形器；FBG1、FBG2 和 FBG3 是利用相位掩模法写制的、三个完

6、全相同的 Bragg 光纤光栅, 中心波长为 1547.5 nm ,反射率 接近 100 %； BBS 和 Control 分别是 C 波段的宽带光源和中心波长是 1552.5 nm ,功率可调 的脉冲控制源；SMF 是 20 m 长普通单模光纤,HN-PCF 是一段零色散波长 1550nm，长度为20m 的高非线性光子晶体光纤；Det 是探测器；BP- EDFA 是双向抽运的掺铒光纤放大器,其 双向增益近似相等且约为 20 dB。和单端口光开关不同的是，C2 是一个 33 的光纤耦合器。它比 22 的耦合器多了一个 耦合臂，且这种耦合器中三根光纤弱耦合而且平行排列，如图 2 所示。其传输矩阵

7、为：定义光纤耦合器 C2 的左侧端口从上到下依次为：1、2、3，右侧端口从上到下依次为：4、5、6。由此传输矩阵可看出，当光波从 1，3 端口入射时，耦合器分光比为 25：50：25； 当光波从 2 端口入射时，耦合器分光比为 50：0：50。我们设光波从端口 2 入，将有输出光 的端口 4，6 连接构成 Sagnac 干涉环。BBS 发出的光经环形器进入 FBG1 滤波后得到中心波长为 1547.5nm 的信号光，Control 产生中心波长为 1552.5nm 的控制光，且控制脉冲功率远大于信号脉冲功率。两束光在 C1 处合波，从端口 2 进入，在 C2 里耦合后，按 50：50 的比例从

8、 4，6 端口分别顺时针传输和 逆时针在环镜中传输。每路信号光返回 C2 时都会附加由于交叉相位调制（XPM）产生的相 移。因为环中引入了 BP-EDFA，破坏了环的对称性，使得两路光所附加的非线性相移不等， 从而可以通过调整控制光的功率来实现光开关的功能。并且由于信号光和控制光的中心波长分居在 PCF 零色散波长（1550nm）的两侧，使其群速度色散导致的走离效应可忽略。当两路光的相位差是 的奇数倍时，光波从 1,3 端口透射出去，透射光经 Filter2，Filter3 将控制 光滤除后，得到信号光进入探测器。做如下假设：(1) 设信号光中心波长为 1547.5nm，控制光中心波长为 15

9、52.5nm，将其对称分布在光 子晶体光纤零色散点两侧，可以使得信号光和控制光的群速度一致，忽略传输时的走离效应， 这点对于高比特的光开关尤为重要。在一根光纤中，若有两个或两个以上的、波长不同的脉 冲一同传输，由于群速度失配会导致脉冲的传输速度不同，这一特性导致了脉冲的走离效应。 更准确的说：当传得较快的脉冲完全通过传输的较慢的脉冲后，两脉冲之间的互作用将停止。 因此为了避免发生走离效应，将信号光和控制光的中心波长选在 PCF 零色散点两侧，同时 信号光在最后也能通过滤波器滤出来8。(2) 忽略衰减对非线性相移的影响。(3) 控制光功率 远大于信号光功率 ，忽略信号光的自相位调制产生的相移。2

10、.2 理论推导当信号光和控制光经 C2 后，我们考虑信号光的输出由传输矩阵得到： j 2 A A4 A1 0 2 s A5 = T A2 = T As = 0 A6 A3 0 = 2 j 2As 信号光进入 Sagnac 干涉环时，对称的分成两路，并且均引入了 /2 的相移。4 端口输出的光沿顺时针传输，6 端口输出的光沿逆时针传输。两路光在 Sagnac 环内反向传输后， 回到 C2 时的信号光振幅变为： L NL L NLA4 = A6G exp(i an + i an ) = j0.5 PsG exp(i an + i an ) L NL L NLA6 = A4G exp(i de +

11、i de ) = j0.5 PsG exp(i de + i de )LNLLNL其中 G 是掺铒光纤放大器的增益系数， de 和 de 是顺时针信号光的线性相移和非线L NL性相移， an 和 an 为逆时针信号光的线性相移和非线性相移。利用光纤耦合器的传输矩阵，可得输出端 1、2、3 的光场为： A1 A4 j 0.5 PsG exp(i an + i an ) A= T A= T 0 2 5 LNL A3 A6 j0.5 PsG exp(i de + i de ) 2 j GP exp(i L + i NL ) exp(i L + i NL )4 sanandede= j 1GP exp

12、(i L + i NL ) exp(i L + i NL ) 2 sanandede j2GP exp(i L + i NL ) exp(i L + i NL ) 4sanandede对振幅取模平方后，得到 1、2、3 端口的输出功率为P = 1 GP (1 cos )1 4 sP = 1 GP(1 + cos )2 2 sP = 1 GP (1 cos )3 4 sandeande其中 为反向传输两路光的相移差，且 =| ( L L ) + ( NL NL ) 。由上式可见，经过 Sagnac 环后，各个端口输出功率随相移差呈余弦变化。当相移差 为 的奇数倍时，1、3 端口光输出最大，均为1

13、/ 4GPs ，2 端口几乎没输出。当相移差 为 的偶数倍时，2 端口光输出最大，为1/ 2GPs ，1、3 端口几乎没输出。从而本系统能够实现双端口全光开关。 下面进行相移分析。因为控制光和信号光一起在环中传输，信号光的相移是由自相位调制和交叉相位调制两部分共同作用产生的，且其非线性相移可分为三部分，分别是在 HN-PCF、，SMF、，BP-EDFA 中产生的。假设脉冲间隔时间大于光波在环内传输一周所用的 时间，则顺时针和逆时针的非线性相移可表示为： NL = 1 ( P + 2P + 2GP )L+ 1 G(P + 2P ) + 2P L+ EDFAde2p s c s P2 s s c

14、c S de NL = 1 ( P + 2P + 2GP ) L+ 1 G( P + 2 P ) + 2P L+ EDFAan2s s c s s2 p s c s p an其中 p 和 s 分别表示 HN-PCF 和 SMF 的非线性系数， LP 和 LS 分别表示 HN-PCF 和SMF的长度，线性相移。EDFAdeEDFA和an是在 BP-EDFA 内由 SPM 和 XPM 共同作用产生的总的非因为双向传输的信号光和双向传输的控制光各自在经过 BP-EDFA 前功率近似相同，因 EDFA此在 BP-EDFA 内所产生的双向信号光相移相同，即de则它们的非线性相移差可以表示为： EDFA=

15、an。再令 LS = LP = L ，NL NL NL 1=| an de|= 2 L( p s )(G 1)(2Pc Ps )当 p s , G 1, Pc Ps 时，上式简化为： NL= G p Pc LLL并且两信号光走过的光程相同，有 de = an ，所以两路信号光总的相移差为： = NL= G p Pc L其中： p 为光子晶体光纤的非线性系数。三个端口输出的信号光功率随相移差呈余弦变 化，且 ，当 GpPcL=2m ， (m=0,1,2,3) 时， 2 端口 的输出 光强最 大；当 GpPcL=(2m+1),(m=0,1,2,3)时，1、3 端口的输出光强最大。开关功率可表示为：

16、定义透射率为：Pc0 =G p LT = P1,2,3 / Ps3模拟结果及分析假设 BP-EDFA 的增益系数是 20dB,即 G=100，HN-PCF 的非线性系数 p=44.7W-1KM-1， 光纤长度为 20m。下面保持光纤长度（20m）和非线性系数（44.7W-1KM-1）不变，模拟计 算控制光功率从 0 逐渐变大时的透射率变化。从图中可以看出，透射率随着控制光功率增大 而呈现余弦变化，当控制光功率为 35mW 时，1、3 端口的透射率达到最大。此时也就实现 了“开”的功能；而当控制光功率减小时，顺时针和逆时针方向的两路光的相位差为零，信号 光大部分被反射回到端口 2，1、3 端口处

17、的探测器几乎探测不到光信号，此时通路“关闭” ； 从而本系统实现了一个双端口全光光开关的功能。这种基于平行排列 3*3 耦合器的光开关是一种特殊用途的双端口输出全光开关，它的 两个输出端口具有相同的状态，可以满足一些特殊应用场合的需要，如开关信号检测，时钟 提取和信号处理，它同时也是实现双环全光缓存器的基础。4总结图 3 信号光的透射率随控制光功率增大的变化本文基于高非线性光子晶体光纤构成非线性光纤环镜，采用平行排列的 33 光纤耦合 器，利用交叉相位调制效应使反向传输的两路信号光产生非线性相移，从而实现了双端口输 出光开关。它的两个输出端口具有相同的状态，可以满足一些特殊应用场合的需要，如开

18、关 信号检测，时钟提取和信号处理，它同时也是实现双环全光缓存器的基础。研究表明该光开 关开关功率与光子晶体光纤非线性系数、掺铒光纤放大器增益倍数和光纤长度成反比，通过 在 Sagnac 环形镜中引入更高非线性系数的光子晶体光纤和具有更高增益的掺铒光纤放大 器，可降低控制脉冲的开关功率。参考文献1 栗岩锋，王清月，胡明列，李曙光，刘晓东，侯蓝田. 光子晶体光纤色散的无量纲化计算方法. 物理学 报, 2004, 53(5): 793099312 成纯富，王晓方，鲁波. 飞秒光脉冲在光子晶体光纤中的非线性传输和超连续谱产生. 物理学报, 2004,53(6): 182618303 张德生，董孝义，张

19、伟刚，王志. 用阶跃有效折射率模型研究光子晶体光纤色散特性. 物理学报, 2005,54(3): 123512404 Petropoulos, P; Monro, T M; Belardi, W; Furusawa, K; Lee, J H; Richardson, D J. 2R-regenerative all-optical switch based on a highly nonlinear holey fiber. Optics Letters, Vol. 26 Issue 16, pp.1233-1235 (2001)5 Larsen, Thomas; Bjarklev, Ande

20、rs; Hermann, David; Broeng, Jes. Optical devices based on liquid crystal photonic bandgap fibres. Optics Express, Vol. 11 Issue 20, pp.2589-2596 (2003)6 Salgueiro, Jos R; Kivshar, Yuri S. Nonlinear dual-core photonic crystal fiber couplers. Optics Letters, Vol. 30Issue 14, pp.1858-1860 (2005)7 刘建国，开

21、桂云，薛力芳，张春书，刘艳格，王志等. 基于高非线性光子晶体光纤 Sagnac 环形镜的全光开关. 物理学报, 2007, 56(2): 9419458 Govind P.Agrawal 著. 贾东方，余震虹等译. 非线性光纤光学原理及应用. 电子工业出版社. 2002: 9-10Double Port Based on NOLM of Photonic Crystal FiberYang Shiyun, Sang Xinzhu, Lu ChuanKey Laboratory of Optical Communication and Lightwave Technology(MOE), Bei

22、jing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876)AbstractThis paper provides double port optical switching using 33 optical fibre coupler based on the NOLMof photonic crystal fiber. The threshold value of this optical switching is in the inverse ratio of PCFnonlinear coefficient、magn

23、ification factor of EDFA and fiber length. This double port optical switchingis the basis of dicyclic all-optical buffer, it can be used in switching signal detection, clock extraction and signal processing and so on.Keywords: Photonic Crystal Fiber; NOLM; XPM; Optical Switching作者简介：杨世云，女，1984 年生，硕士研究生，主要从事光子晶体光纤应用方面的研究。