（电磁场与微波技术专业论文）光控光开关和全光逻辑门的研究.pdf

北方交通大学坝i 学位论文 y 3 9 5 7 摘壁 摘要 光开关在光纤技术中起着重要作用。在光纤通信系统中， 光开关常常作为保护倒换器件。在光时分复用系统o t d m 中，基于非线性光学环路镜n o l m 的光控光开关是实现时钟 提取、解复用功能的关键器件。在全光光交换技术中，全光 开关和全光逻辑门用于构成全光交换机。全光开关和全光逻 辑门是构成全光交换网中o x c 的基础元件。在光信息处理技 术中，光开关及各种光逻辑门更是必不可少的，是光信息处 理技术的基础。7 本文对前人提出的多种光开关、光逻辑门的方案和研究 成果进行了较为系统的概括和总结，按照光开关所能处理的 信号类型进行了分类，提出了一些改进方案，对它们的开关 特性、逻辑特性进行了理论分析和深入的研究。 主要内容包括：( a ) 交叉相位调制的基本理论，包括： 不同频率波之间的x p m ：m 一波长不同偏振分量光波之间的 耦合；波长与偏振方向均不同的光( 传输方向相同) 的交叉 相位调制：不同传输方向的相同频率、相同偏振方向的两个 波之间的耦合。前面两部分是原有的，后面两部分是重新导 出的。( b ) 全光光丌关，包括全光光开关的分类、模型、多 种实现方案及光路图；全光光开关开关特性，包括时延、开 关速度( 上升时间和下降时间) 、驱动功率、开关时间窗口及 透过率等有重要使用价值的工作参数。( c ) 全光逻辑门，包括 基于二光平逻辑及孤子全光逻辑门的模型、工作原理、具体 实现的光路图；由级联非线性定向耦合器构成的光逻辑门的 工作原理和定向耦合器全光逻辑门的结构简图；最后提出了 逻辑门级联的两个基本要求，给出了改善级联性能的一些主 要措施。义u 关键词：交叉相位调制，光丌关，光逻辑门， 级奄。 垒! ! ! ! 型 a b s t r a c t o p t i c a ls w i t c h i n gp l a y s a n i m p o r t a n tr o l e i n o p t i c a lt e c h n o l o g y a n di t a l w a y s u s e da st h e e q u i p m e n t o f p r o t e c t e d t r a n s f o r mi nf i b e r o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ni no p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o t d m ) s y s t e m ，o p t i c a l c o n t r o l l e do p t i c a ls w i t c h i n gw h i c hb a s e do nn o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r ( n o l m ) i st h ek e ye q u i p m e n to fc l o c kr e - t i m i n ga n dd e - m u l t i p l e x i n g a l l o p t i c a ls w i t c h i n ga n da l lo p t i c a ll o g i cg a t e s c a l lb eu s e dt os t r u c t u r e da sa l l o p t i c a le x c h a n g em a c h i n e t h e ya r e t h ee s s e n t i a l p a r t s o fo p t i c a le x c h a n g e c o n n e c t i o n ( o x c ) t h e ya r ea l s ot h eb a s i ct e c h n o l o g yf o ro p t i c a li n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n dv e r yn e c e s s a r y i nt h i s p a p e r , w es y s t e m a t i c a l s u mu pa n dg e n e r a l i z et h ep r o j e c t sa n d p r o d u c t i o n so fm a n yk i n d so fo p t i c a ls w i t c h i n ga n do p t i c a ll o g i cg a t ew h i c h h a v eb e e np r o p o s e d a n dc l a s s i f yt h e md u et ot h et y p eo f s i g n a lt h e yp r o c e s s e d i no r d e rt oa n a l y z ea n ds t u d y d e e p l y t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e rc o n c l u d e m a n yp a r t s ( a ) t h eb a s i cp r i n c i p l eo f c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) ，i n c l u d i n g x p mb e t w e e nt w ob e a m so fl i g h tw i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t h ，t h ec o u p l i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt w ob e a m so fl i g h tw i t hd i f f e r e n tp o l a r i z a t i o na n ds a m e w a v e l e n g t h ，x p mb e t w e e nt w ob e a m so fl i g h tw i t hd i f f e r e n tp o l a r i z a t i o na n d w a v e l e n g t h ( b u t t h e p r o p a g a t i n g d i r e c t i o ni st h e s a m e ) ，t h ec o u p l i n g r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt w ob e a m so fl i g h tw i t hd i f f e r e n tp r o p a g a t i n gd i r e c t i o n a n ds a m ep o l a r i z a t i o na n ds a m ew a v e l e n g t h a m o n ga l lo fa b o v e ，t h ef o r m e r t w op a r t sh a v eb e e ng o r e nb e f o r ea n dt h el a g e rt w oa r ei n d u c e d 、( b 1a l lo p t i c a l s w i t c h i n g i nt h i sp a r t ，w ed i s c u s st h es o r t s ，m o d e l s ，a l lk i n d so fp r o j e c t sa n d o p t i c a ls c h e m a t i c s ，w h i c hi n c l u d i n gs w i t c h i n gc h a r a c t e r , t i m ed e l a y , s w i t c h i n g s p e e d ( r i s et i m ea n df a l lt i m e ) ，d r i v i n gp o w e r , s w i t c h i n gt i m ew i n d o w sa n d o t h e ri m p o r t a n tw o r k i n gp a r a m e t e r ( c ) a l lo p t i c a ll o g i cg a t e s h e r e ，w ed i s c u s s t h em o d e lo f a l lo p t i c a ll o g i cg a t e s ，t h ep r i n c i p l eo f i ta n dt h eo p t i c a ls c h e m a t i c s w ea l s og i v et h ep r i n c i p l eo fa l l o p t i c a lg a t e sb a s e do nc a s c a d a b l en o n l i n e a r d i r e c t i o n a l c o u p l e r , s i m p l es c h e m a t i c s o fa l lo p t i c a ll o g i cg a t e sb a s e d o n d i r e c t i o n a lc o u p l e r f i n a l l y , w ep r o p o s et h et w ob a s ed e m a n do f c a s c a d a b i l i t y o fl o g i c g a t e s a n d g i v e s o m em e a s u r ef o r i m p r o v et h ef a n c t i o n a l i t y o f c a s c a d a b i l i t y k e y w o r d s ：x p mo p t i c a ls w i t c h i n g o p t i c a ll o g i cg a t ec a s c a d a b i l i t y 2 j e 左銮通盔堂亟堂鱼论塞一鳘垒 绪论 随着全球通信业务量的飞速增长，业务形式日趋多样化，高 速大容量的宽带综合业务网络已成为现代通信网络的发展趋势。 在过去的十余年里，点到点光纤传输系统在提高电信网的容量方 面取得了很大的成功，特别是随着e d f a 和w d m 传输技术的引 入，不仅大大提高了现阶段网络的传输容量，而且在满足日益增 长的网络需求方面具有巨大的潜力。随着光交换技术的发展，预 示着一个崭新的全光网将在新世纪获得极大的发展。 在光纤的传输速率高速增长的同时，光交换技术的发展相对 要慢得多。这主要是光交换的核心部件光交叉连接器o x c 的发 展相对缓慢。这包括交换矩阵和控制逻辑两个方面。在目前的交 换机中，交换矩阵和控制逻辑还不得不大量使用电子器件，它们 起着决定性作用。由于器件本身电子渡越时间的制约，传统的电 子器件在数十g b s 的水平上存在着所谓的“电子瓶颈”，从而限 制了速率的进一步提高。对t b s 信息流的处理，要求逻辑运算 的速率达1 0 0 0 亿次秒以上，相当于每个逻辑门开关的运作时 间为d s 量级，虽然迄今半导体m o s 器件的开关速度已能达到， 然而由于在信息处理芯片中信息的载体是电子( 或电流) ，逻辑 门之间的信息传递，尤其是芯片和插板之间信息的传递必须通过 内部或外部引线作为电子载体传输的媒质，这就受到回路r c 参 数延迟效应的限制因此，利用全光开关和全光逻辑构成光交换 机势在必行。利用移动光纤式的光开关构成的交换矩阵已经在一 些全光网中( 包括我国自行研究的全光网) 获得应用，然而这种 低速的光开关，将引起高速码流的暂时中断。比如，一个m s 级 的切换速度的光开关，当它切换1 g b s 的码流时，将造成i m 比 特码流丢失，这是很严重的。因此研制高速的n s 或p s 级的光开 关是当务之急。同时，控制逻辑目前还完全依靠电子器件，在交 换矩阵的全光化之后，光控制逻辑必将提到研制日程。因此对全 光开关及全光逻辑的研究是非常有意义的，也是当前迫切需要解 决的问题。 j 友交通厶堂亟堂位迨塞 绪途 即使在传输系统中，在控制和网管方面也不得不依赖各种电 子器件。在传输系统中，波长的保护切换、为了有效的实现波分 复用( w d m ) 而进行的波长适配和波长转换、以及对e d f a 的管 理，目前大量仍然处于电子控制或者经过o e 、e o 转换的水平 上。这或者将导致通信的暂时中断，或者限制了通信速率的提高， 不能保证在全光水平上透明传输。这与光纤的极高的传输速率不 相匹配。因此，研究全光开关来解决这些问题是至关重要的。此 外，在光时分复用系统( o t d m ) 中，光信号的复用( 高速取样) 和解复用也必须依靠高速的全光开关。在未来的宽带网络中，信 头的识别与处理不仅需要高速的光开关，而且还需要全光的逻辑 门。 因此，全光光开关、光逻辑门的研究正成为当前的重要研究 领域，全光光开关、光逻辑门的研究的研究课题是当前的前沿课 题。 光开关总体上可分为光控和非光控( 电控) 两大类。非光控 光开关有机械移动光纤式、半导体光放大器s o a 、热光开关、 声光开关等。机械移动光开关的典型结构如下图所示。驱动机构 带动活动光纤，使活动光纤根据指令信号要求分别与光纤a 或 b 连接。机械移动光开关的开关速度大约在l m s 左右。目前的 热光开关是利用热致折变效应来改变m z 干涉仪( 二光平光开关 的一种) 桥臂上的光程差而实现的但热致效应的响应速度也为 m s 左右。总而言之，非光控光开关的开关速度是比较低的，对 未来的全光网仍然是一个瓶颈。 全光光开关的开关时间可以 0 1 p s 成立。慢变振幅e 和e ：的变化由波方程 ( 1 1 2 ) 描述，感应极化强度的线性和非线性部分由方程( 1 13 ) 和 f 1 1 4 1 给出。 v ：e 专警叫。等确笋 坨， 式中p l 、p 。是极化强度的线性和非线性部分，。为光速，“o 为 真空中的磁导率。 p ，( r , t ) = 岛i z 旦) ( f f ) e ( r ，) e x p i c o o ( 1 - t 7 ) 】d f 苫( 1 1 3 ) = 占oi 露翟( o j ) e ( r ，r ) e x p 一i 一) t d c o 式中z 蹁为线性电极化率 p m ( r ，) = 岛z ”i e ( r ，t ) e ( r ，t ) e ( r ，t )( 1 1 4 ) 式中z ( 3 ) 为3 阶电极化率。为了看清x p m 的起因，将方程( 1 1 1 ) 代入( 1 1 3 ) 发现 p n l ( r ，) = i ，( 1 ) e x p ( 一i c 0 1 f ) + 尸v ，( c 0 2 ) e x p ( 一i c 0 2 ，) + ( 2 0 j l 一2 ) e x p 一i ( 2 a ；l 一2 ) 州( 11 5 ) + ( 2 脚2 一1 ) e x p 一i ( 2 c 0 2 一甜1 ) t jj + c c 式中 ( ，) = z 盯( 1 e ，12 + 2 1 e ：l2 ) ( 1 1 6 ) ( 2 ) = z 卵( i e 2 r + 2 1 e i i 二) e !( 11 7 ) 【2 c o l 一印2 ) = z 够e 1 2 厶、p l ( 2 c 0 2 - - q ) = z 硝? ! e i 8 ) 且 z 。口= 二 z 黛。( 1 1 9 ) z 盛与频率的明显关系没有给出，因为已忽略了色散。 方程( 11 5 ) 的非线性感应极化强度具有在新频率2 0 ) ；一m ：和 2 m z c o i 下的振荡项，这些项产生于四波混频现象。如果打算有 效地建立新的频率分量，必须满足相位匹配条件，此条件在实际 过程中一般不满足，除非作特殊的安排。在这里，假设相位匹配 条件不满足，所以忽略四波混频项。剩下的两项对折射率产生非 线性作用，这可通过将，) 写成下面形式看出 2 e 直变通厶堂亟堂位迨塞 笠= 重窑竖翅位塑剑 r ，( 甜户5 r 邶， 0 = 1 ，2 ) 将其与线性部分合在一起，则总的感应极化强度写成 p ( c o ，) = 。，e ， 式中 q = j + s 严= ( ”j + a n j ) 2 月是折射率的线性部分，a n 是折射率的非线性效应引起的折射 率改变量。利用a n ( ( n ，则折射率的非线性部分为 a n ，z s 严2 ”，* ”：( 川2 + 2 e 3 ，h ( 1 _ 1 1 3 ) 式中非线性折射率系数n z 2 云z ( 1 1 1 4 ) 并且已假定 。z n ，= h 。 方程( 1 1 1 3 ) 表明，一个光波的折射率不仅与这个波的强度有 关，而且与另外共同传输波的强度有关。当光波在光纤中传输 时，获得个与强度有关的非线性相位： 妒严：等叩竿蚓2 + 2 h n ( 5 ) 式中i = 1 或2 ，第一项与自相位相联系，第二项产生于共同传输 的另一光波对这束光波的相位调制，它与交叉相位x p m 相联 系。方程( 1 11 5 ) 右边的因子2 表示对相同的光强，x p m 作用是 s p m 的两倍。其起因可追溯到方程f 1 1 4 ) 中非线性极化强度三部 分之和有关的项数，定性地讲，当两光频不同与频率简并时相比 项数增加两倍。 下面进一步推导两个光波场的传输方程。假设非线性效应对 光纤的模式影响不大，横向关系可以通过分离变量看出，把 e ，( r , t ) 写成 小，) = f j ( x ，y ) a ，( z ，t ) e x p ( i f l o ，z ) ( 11 1 6 ) 式中f ，( x , y ) 是第j 个场的模式分布q = l ，2 ) ，a ，( z ，f ) 是慢变化振 幅，风，是中心频率为国，对应的传播常数。将与频率有关的传 播常数，( 甜) 展开，并且保留到二次项，则可包含色散效应，对 4 ，( 互f ) 所导出的传输方程是 鲁怕，等+ 弘簪+ 等a i = 华【厶i a j 2 + 2 厶l a k 门 ( 1 11 7 ) 式中k # j ，届，= l v 。，v 。是群速度，屈，是g v d 系数，口，是 呐 哟 ； 0 0 u ：出直蛮道厶堂亟堂位诠塞 堑二：空窒竖担位圃趔 损耗系数，交迭积分“定义为 j l ( x ，y ) l i f a x , y ) 1 2 出咖 六= _ l _ i 一 序l 或2 ) ( 1 1 1 8 ) ( w ) 1 2 a x a y je ( 训) 1 2 蚴 在多模光纤中，频率不同的两个光波可以以不同的光纤模式 同时传输，交迭积分之间的差别可能很大。对单模光纤来说，因 为模式分布f ( z ，y ) 与频率有关，所v a “、n 、儿一般也不 同，它们之间的差别很小，在实际情况中可以忽略。这时方程 ( 1 1 1 7 ) 可以写成下面形式的两个耦合方程 鲁+ 寺鲁专屈，等+ 罢a , = i y , 1 4 2 + 2 b ，( 1 1 1 9 ， 豢+ 击等专屈：万0 2 a 2 + t 0 2 旷6 爿：t 2 + 2 b ：( 1 一2 0 ) 式中非线性系数，定义为 y ，：拿，( j = 1 ，2 ) ( 1 1 2 1 ) l n 州 a 晰是有效纤芯面积( a 棚= 1 a 1 ) ，并假没对两光波a 。相同。 在可见光范围典型的a 甜= 1 0 2 0 , u r n ! ，相应的y 和y ：值在 2 0 3 0 w 。1 k m 。范围内，与频率q 和0 3 ，有关。一般情况下两个脉 冲不仅具有不同的g v d 系数。而且以不同的速度传输，因为它 们的群速度不同。由于脉冲互相走离将限制x p m 的互作用，所 以群速度失配起着很重要的作用。可用如下方程定义走离长度 l “ k 2 南 ( 1 1 2 2 ) 其中，d 。：= l v 。，一v 。：，t o 是初始脉宽。走离长度l ，表示由于群 速度失配导致两交迭脉冲互相分开时的光纤长度值。 1 2 同一波长不同偏振分量光波之闻的耦合 在本节我们考虑频率相同但偏振念不同的两个光波之间的 耦合，以同一个波长模式的两个偏振分量为例。一个椭圆偏振光 波其电场可写成 4 e 左：童遒厶堂亟堂焦迨塞 簋= 童窑墨捐僮盟剑 e ( r ，) = 去( 曼e ，+ 夕e 。) e x p ( - i c o o f ) 十c c ( 1 21 ) 式中e ，和e 。是中心频率为c o 。光波偏振分量的复振幅。将方程 ( 1 2 1 ) 代入方程( 1 1 4 ) 可得非线性极化强度，。在各向同性介质 中，尸，的一般形式可写为 尸l ( r ，f ) = 去( 圮+ 皿) e x p ( 一峨f ) + c c ( 1 2 2 ) 只和只为 只= e j e t e 一+ y o 。) e j e s e j + z e ? e i e ij = x 或y ( 1 2 3 ) z 的三个独立分量与z 盟的关系为 z 盟= z 鼢+ z + z ( 1 24 1 三个分量的相对大小与影响z 。的物理机制有关。对石英光纤三 个分量大小基本相同。为简单起见假设它们相等，则由方程 ( 】2 3 ) 偏振分量和1 ，为 耻等以：心f + 弘2 牛_ 1 啦叫：，、 哆寄z 暨p 1 2 + 扣2 卜妒1 叫：。、 方程( 1 2 5 ) 和( 1 2 6 ) 中的最后一项与方程( 1 1 5 ) 中的四波 混频项类似，只是此时是在相同的频率下起作用，因为极化分量 是简并的l ，5 ，2 。o ) 。它对偏振演变过程的重要性与j 下交偏 振的光纤模式之间的相位匹配程度有关，这些正交偏振的光纤模 式由偏振拍长上b 描述，偏振拍长定义如下 。：三：兰 ”l 屈一厉i b f 1 2 7 1 鼠、卢。指j ，两个偏振方向的传输常数。如果光纤长度 k ，像强双折射光纤情况，因为相位失配很大，方程 ( 1 2 5 ) 和( 1 2 6 ) 中最后一项的作用可忽略。另一方面，在弱 双折射光纤中，如果l l 。则必须包括这项。 折射率的非线性变化a n 。由方程( 1 2 5 ) 中比例于臣的项 5 e 友窑垣叁堂亟堂焦途塞噩：二塑窑墨担建迥制 决定，用与方程( 1 1 1 1 ) 和( 1 1 1 2 ) 相似的关系式，司得 q x = n 2 蚶+ 弛 2l ( 1 - 2 8 ) a n y ：n 2 蚶+ ；蚶l ( t 删 式中胛2 由方程( 1 i 1 4 ) 定义。与方程( 1 i 1 3 ) 比较可知，两种情况 的形式相似。运用与方程( 1 1 1 5 ) 类似的关系式可得到非线性相 移 妒卜等幽，。孚蚓2 + 抑i 】u 枷y( 1 ：1 0 ) 我们发现两个偏振分量之间的x p m 比两个不同频率波之间的 x p m 小，因为它包含的因子是2 3 而不是2 ，可是定性行为仍然 相同。特别是当入射脉冲是椭圆偏振时，x p m 引起的场分量e ， 和e ，之间的非线性耦合将产生非线性双折射，它使偏振态发生 改变。因为它表现为偏振椭圆的一个旋转，所以这种现象被称为 椭圆旋转。 进步推得两个偏振分量演变的传播方程如下， 警+ , a l 。警+ i i 纵可o a r + 弘 ， ( 1 21 1 ) 却2 + ；卜+ 了i y 刚，2 e x 卧2 r 肛) 誓帼，等+ ；如万o a y + 詈一， 一一 ( 1 2 1 2 ) 嘶2 + 孔f 2 卜了i y 叫知p ( - 2 雌) 式中a ，和爿，为两个偏振分量得慢变化振幅， p 2 p n 一t ，是由于光纤的线性双折射或模态双折射产生的波 矢失配，应该注意同样的线性双折射也导致两偏振分量之间的群 速度失配，除最后项外方程( 1 2 1 1 ) 和( 1 2 1 2 ) 与方程( 1 1 1 9 ) f f 口 ( 1 1 2 0 ) 相似。另一个值得注意的特征是由于两偏振分量的频率 简并，所以两个偏振分量的非线性参量y 相同。 6 e 直童遒达堂亟堂位迨塞筮二童套幺扫位调剑 1 3 波长与偏振方向均不同的光 ( 传输方向相同) 的交叉相位调制 设频率为c o 与c o ，两个线偏振光入射到同一光纤，它们的偏 振方向互相垂直，其合成光场为 e 好，t 、= i e 。+ 9 e 。 ；一 二 ( 1 3 1 ) = 詈 e ，( f ，t ) e x p ( - i c o l f ) + c c ) + 寺 e y ( f ，t ) e x p ( - i c 0 2 f ) + c c 其中互与磊是两线偏振光的复振幅，有大小、相位，c c 表示共 轭。e 的三阶并矢为 i e ： b0 彰2 bt 占；0 ff 云面= le ：e 。e 。e ；0e 。；e ；010 l ( 1 3 2 ) l ooooo o f j 由此可求得三阶非线性极化矢量 p o ) = 5 0 z ( 3 ) ! e e e( 1 3 3 ) 其中z ( 3 ) 是s i 0 2 的三阶电极化率，它是一个四阶张量，共有8 1 个分量。由于s i o ，分子是对称结构，因此它只有四个独立分 量，且满足关系 z 盟= z 品+ z 嚣：，+ z 善l( 1 3 4 ) 而且右边三个分量基本相等。其它分量，或者可由上面4 个分量 的x 、y 、z 坐标对换后得到，或者为零，经过运算，可得出 户3 也只有r 、y 两个分量，即 卢( 3 ) = 掣i + 碍3 多( 1 3 5 ) 且 曩砷= s o z 一( q + e e i ) ( 13 6 ) g ”= 占o z ( e ；+ e ，e ；)( 1 37 ) 将表达式( 1 3 1 ) 代a ( 1 3 6 ) ，其中e ；将产生三次谐波项和基波( 0 1 项，而e ，e ；将产生( q + 2 c o ：) 项、( c o 一2 c o ：) 项和基波项q 。由 于三次谐波、( q + 2 脚：) 项等已落在光纤可传输的波长之外，不 能存在；而( q 一2 0 9 2 ) 是，与c 0 2 的简并四波混频项，虽然与， 相近，可能存在，但还需要相位匹配条件，一般很难满足( 因波 长、偏振方向均不同，相差很远) ，于是这项亦可忽略，所以 ( 1 3 6 ) 式计算的结果，p , 乘u t 两个c o 。基波项，从而表明只实际 7 友銮道厶：茎亟f ，：堂位迨塞一一一盔二堑二箜竖韭韭l j 旦型 上只有基波，项，于是 ( c 0 1 ) = 百3 9 。z ( i g 。1 2 + 刳b h e ，( c 0 1 ) ( 1 3 8 ) 同理( 2 ) = i 3s o z 一( i e ，1 2 + 专刚2 ) e y ( c a 2 ) ( 1 3 9 ) 于是，由于非线性引起的折射率变化分别为 a n ，= n 2 暇1 2 + 专吲2 】 ( 13 1 0 a n ，= n 2 帆1 2 + 争，门 ( 1 3 11 ) 我们将e ，与e y 分成迅变部分和缓变部分，并用爿，与a ，表示它 们的缓变部分的复振幅，可得如下耦合方程 警硝。警+ 互i 玩百6 8 2 a x + 弘刮 1 2 + 驯2 m ( 1 3 1 2 ) 百o a y 硝，鲁+ 虿i ：，可6 q 2 a y + a y = i y 爿，阳4 门 ( 1 3 1 3 ) 其中y 是非线性系数。 将上述两方程与波长相同但偏振方向不同的耦合方程 f 1 2 1 1 ) 、f 1 21 2 ) 相比较，发现二者是一致的，所以，可以将它 们归结为，无论波长是否相同，只要偏振方向正交，则都满足 ( 1 3 1 2 ) 、( 1 3 1 3 ) 式。 更一般的情况是，两波长不同的线偏振光共同传输，它们的 偏振方向既不相同也不正交，这时，应将其中一个分解为与另一 个平行与垂直的两部分，如图( 1 3 、1 ) ，则平行部分满足式 f 1 1 1 9 ) 、f 1 1 2 0 ) ，垂直部分满足式( 13 1 2 ) 、( 131 3 ) 。 图( 1 3 1 ) ， 8 e 直銮逼叁堂亟堂僮迨童 簋= 重窑x 担鱼塑剑 1 4 不同传输方向的不同频率、相同偏 振方向的两个波之间的耦合 如图( 1 4 1 ) ，设。与为两个波长不同的光 方向沿光纤传输，合成光场为 豆= 豆。( 国。) + 重6 ( 珊6 ) 0 9 a 几叶z 2 它们以相反 ( 1 4 1 ) z 2 0 b 芦6 1 l t ( 1 4 1 ) 我们假定二者有相同的偏振方向，则 = 詈( 匕e x p 一i ( 彩。，一成z ) 】+ e be x p 一i ( 扛k ，+ 岛( z 一三) + 妒6 ) + f f ( 14 2 ) 上式表明，豆。与磊不仅频率不同，而且初相位可能不同。我们 把时间定位在z = o 处、舌。( 甜。) 的初始相位为0 。在z = l 处， ，= 0 时，初相位为妒。首先计算三阶并矢 e e e = e 3 菇f 1 4 3 1 记 e = + v ) + ( c c )( 1 4 4 ) e 3 i 3 ”( 1 + u l ：? 2 i 。v ；：2 + 。，+ 。 。f ：十：b ：，。+ 。+ ，c 。s ， 2 + 1 2 ) ( “+ “+ ) + ( v f 2 十2 b 2 ) ( v + v + ) 。7 其中 “= 导e x p h ( 。卜p o z ) v = 二等e x p - i ( 0 6 t - f i b ( z l ) + 妒6 ) ( 1 4 6 ) 将“、v 代入( 1 4 4 ) 得 驴焉等翟篙她)x圭e,ae-i心(a1-吣,az)聃+eaei(o)t-1&z，)e i 】a ， + ( 旧 2 + 2 l 匕1 2 ) 皋或( 州一风z ) + 岛p 慨，一舡 ) 、 于是f ( 孙。，( 三阶非线性极化矢量) 为 阳“i d e 祥 3 ；谧一8 1 ll4 l = j 口砘f 。) + j d h 6 ) 、 j k ( 。) = 音o z 一【1 e 。l 2 + 2 i e 6 1 2 】雷。( c o 。) ( 1 4 9 ) 9 ：出左窒遁厶堂亟主堂焦迨塞箍= ：重銮塞扫僮通剑 乒( 6 ) = 寻8 0 z e 6 2 + 2 e 。1 2 丘6 ( c 0 6 ) ( 1 4 1 0 ) 令 e 。= 玑( f ，y ) a 。( z ，) ( 1 4 1 1 ) e b = 轨( x ，y ) a b ( z ，) ( 1 4 1 2 ) 其中厶( x ，y ) 、兀( x ，y ) 分别是两个模的模场，a 。与如是二者的 缓变部分，它有幅度和相位。 d 。( c o 。) = 8 0 瓦e 。( c o 。) = c o 昆( c o 。) + 豆( 。) + ( ) 令 ：一。(。)+。)雷。(。)(1413eoeg 0 ( c o ) = 。( 。) +z 。) e 。( 。) 。 + - 3 e 。z 【f e 。i2 + 2 i b f 2 】e ( 。) 所以 瓦= 1 十z ”( c o 。) + 导z 一【i e 。j 2 + 2 i e 6 1 2 1 ( 14 1 4 ) 令 打2 = 1 + z ( 1 ) ( 口) 、孑= ( ，? + ，? ) 2 以2 + 2 h a 胛( 1 41 5 ) 所以 2 n = 导z 慨f 2 + 2 1 e b l 2 】 ( 1 4 1 6 ) ”。寺r 一【f 玩f 2 + 2 吲2 1 = z 民f 2 + 2 l e v i 2 j( 1 4 1 7 ) 从而 ”2 2 砺3z 一 ( 1 4 1 8 ) 艺= 门2 + 2 n ”2 【 e 。 2 + 2 1 e 6 2 】 ( 1 4 1 9 ) 同理可得 瓦= h 2 + 2 n n ： 1 b i ! + 2 阪n( 1 4 2 0 ) 我们假定当计算艺与瓦时，”是相同的，不考虑色散，在 v 豆。= 0 的前提下，可以得到a a ( z ，f ) 的基本传输方程 兽+ 凡。百o a a + 互i 可0 2 a aw l 心1 2 + 2 2 心 ( 1 4 2 1 ) 对于相反方向传输的a b ( z ，r ) ，波动方程仍然正确 v 2 或+ 瓦女2 反= 0( 14 2 2 ) 令万2 = 瓦可得 v 2 瓦+ 万2 女2 或= 0( 14 2 3 ) 其中邑( i ，一o ) = f a x ，y ) a b ( z , 一国6 ) e x p 一i ( c 0 6 f + 屁( z 一上) + q o b ) ( 1 4 2 4 1 1 0 a 直变通盔堂亟堂缱迨塞箍二童二亟望担垡：i 塑剑 而j b ( z ，c o 一o ) 是a b ( z ，f ) 的傅立叶变换，代入 v 2 ；暑+ 等+ 等( 1 4 2 5 ， 并化简得 c 苦每肌川m 氓力争e 1 肛，。， + 西2 2 j 6 p 1 风2 = o 鼢郴! 嚣：攀篡悱柏。唱： 消去p i 风：可得 e 彘+ - y ) f b ( x , y ) n 船川争- z i 风譬一觚， + 万2 k 2 瓦= 0 利用分离变量法，略去罢牟项，可得 万1 雨0 2 + 等堍+ 毒【- 2 氓丝o z 卅瓦m 2 旷划 于是 令 万1 ( _ 0 z + 矿g 7 2 ) 兀+ h 2 k 2 = f f 2 争z i e 警喇碥卸2 ( 簧寺 ( 张2 耻。 2 i f l b 0 _ a b + 廊瓦：万2 夏 2 i 声。曼磐+ p ；j 。一万z j 。：o 西2 = ( n + 玎) 2 由于 + 2 n a n = n 2 + 2 n x n 2 【l e 6 1 2 + 2 l e 。1 2 】 代入可得 ( 1 4 2 7 ) f 142 8 ) ( 142 9 ) ( 1 43 0 ) ( 14 3 1 ) r 143 2 ) ( 143 3 ) f 1 4 3 4 ) ( 1 4 3 5 ) j e 直窒适厶堂亟上堂位迨塞童三童l 銮里塑焦监型 v ；兀+ ( ”2 k 2 + 2 n , 5 * l k 2 一万2 ) = 0 对于爿( z ，f ) 调制后的c o 分量的模式场，满足 v 2 + ( 月k 一万2 ) 兀= o 由于a n 的引入，使 万：f l + 筇、万2 = 卢2 + 2 f l a i l 可知班可f j 而1 z f 矿d x + 对于方程 2 i f l 。訾+ 雕五一万z 五= o 由于萨所i 黝渤厶 可得。o _ a t , 一( ；3 b ) a b = 互 令 一风= ( 一。) 风，+ 风z ( c o - c o o ) 2 代入上式得至o a 三t , 矗筌釜薹谥荔i i 垆6 2 沏一) 2 露 川l ，6 r a x a y 反变黼。三o a b 颦“c g a b1 , , 0 2 a b 川6 r a x a y 因为 = n 2 t l e o l 2 2 e b t 2 1 设l 厶 z l 厶i ，则可得 ”= ”2 咖。1 2 + 2 蚓2 p = 一：兰 ；! ； 警“爿e j 2 + z i 爿a 1 2 ， = m 6 1 2 + 2 2 】 f 14 4 4 ) ( 1 4 4 5 ) f l44 6 ) ( 144 7 ) ( 1 4 4 8 ) 1 2 殉 奶 嘞 跏 卿 蚋 蚴 卿 t 乱 a 4 4 4 4 4 q q 0 0 u 0 e 虚窑适厶堂亟堂僮途塞 簋二：羹窒送扭位刿剑 若兄3 丽i 1 2 删，。等 于是得到8 _ a b + 尾挚一；尾：芝争：一i ，t l 以1 2 + 2 1 a 。i 2】以(1449)ozd t o t z 。 综上所述，非线性单模光纤中不同传输方向的不同频率、相同偏 振方向的两个光波场波的传输方程为 警垲，警+ 圭成：等嘶t l 以j 2 + 2 j 4 阻 訾鸲。訾一；尻：等一州凡f 2 讹一4 e 杰：窒堂厶堂亟：量焦途塞 筮三童遣控堂丑：苤 第二章光控光开关 光开关在光纤技术中起着重要作用。在光纤通信系统中，光 开关常常作为保护倒换器件。在光时分复用系统o t d m 中，基 于非线性光学环路镜n o l m 的光控光开关是实现时钟提取、解 复用功能的关键器件。在光交换中，光开关是构成交换网o x c 的基础元件。在光信息处理技术中，光开关用于构成各种光逻辑 门，是光信息处理技术的基础。光开关总体上可分为光控和非光 控( 电控) 两大类。非光控光开关有机械移动光纤式、半导体光 放大器s o a 、热光开关、声光开关等。非光控( 电控) 光开关， 必须先将光信号转换成电信号才能对开关进行操作，对未来的全 光网仍然是一个瓶颈。光控光开关是未来全光网不可缺少的关键 部件，本章将讨论这种光控光开关，首先给出光控光开关的模型， 然后介绍几种不同的光控光开关的结构并详细分析标志光丌关性 能优劣的几个重要参数。 2 1 光控光开关的分类及模型 根据光控光开关的功能、逻辑值的定义及光源和控制光的种 类，本文将全光开关分为两类，即基于二光平的光控光开关和基 于r z 码( 孤子) 的光控光开关。二：光平光控光丌关的光源是稳 定的单一波长的直流光源，控制光是具有，二光平的光( 时值可长 可短) ，其输出也是二光平的光信号；基于r z 码的光控光开关， 其光源和控制光均为接近孤子波形的r z 码，光源是固定速率的 脉冲序列，控制光为与其同步的随机脉冲序列，其输出也是与光 源同步的接近孤子波形的r z 码的随机脉冲序列光信号。光控光 开关又可分为正逻辑( 动合) 和负逻辑( 动分) 两种，其模型见 图( 2 1 1 ) ，图( 2 1 2 ) ，由模型图可见，输出的有无由光源和控制 光决定：对于正逻辑( 动合) 光开关，当控制光为逻辑“1 ”时 ( 高光平或有脉冲) ，输出光与光源相同；对于负逻辑( 动分) 光开关，当控制光为逻辑1 时( 高光平或有脉冲) ，输出光与 1 4 ：韭直銮逼厶堂亟堂位迨塞 苤三童垃塑垦五差 光源相反( 低光平或无脉冲) ；图( 2 1 3 ) 是二光平正逻辑光控光 开关闭合时的情形，图( 2 1 4 ) 是r z 码正逻辑光开关闭合时的情 形。图( 21 5 ) 是二光平负逻辑( 动分) 光控光开关动作时的情形 图( 2 1 6 ) 是r z 码负逻辑( 动分) 光控光开关动作时的情形。 。一 ，j i 一 1 图( 2 1 1 ) 控制光 图( 2 12 1 图( 2 13 ) 图( 2 1 4 ) o 输出 l 控制光 _ 光源 _ j - 一 输出j 输出 i1 刖u u l 控制光 门 点n 登厂 n ： ： 一塑出 1 5 j i 一控制光 一 三二密。壬鬻 控制光越光 南厂 紫厂 厂 ：。 ： !n 输出 图( 2 16 ) 应该说明的是，上述光开关的模型虽然很容易想到，但并不 是当前所有的被称为“光开关”的器件都符合这个模型，例如后 文中提到的非线性定向耦合器型“光开关”就是一例。因此，为 了统一光开关的参数以便能够互相连接，首先统一光开关的模型 是十分重要的。 2 2 二光平光控光开关 常见的二光平光控光开关有m z 干涉仪型光开关、克尔光 开关等，此外，非线性波导定向耦合器型光控光丌关，尽管不符 合上述光开关模型，但输出与输入也都是二光平，所以也在此研 究。下面分别给出它们的结构简图并逐一分析其工作原理 2 2 1 双波长m z 型光开关 1 双波长m z 型光开关的结构简图 双波长m z 型光开关的结构简图见图( 221 ) ，它由两个耦 合器、一个波分复用器、一个解复用器和两个参考臂组成，为方 便起见，我们将其中一个臂叫调制臂，另一个臂仍叫参考臂。 1 6 d b 直銮逼叁堂亟堂僮迨塞 笠三重出控堂珏差 c o n 仃o l波分 c o n t r o l s 1 8 n s i g n a l 图( 2 2 1 ) 双波长m z 型光开关 2 工作原理 由图可见，信号光经耦合器1 输入，输出后被分成两柬，一 束在调制臂中传输，另一束在参考臂中传输，与信号光有着不同 波长的控制光经波分复用器耦合进调制臂并与在调制臂中同时传 输的信号光发生交叉相位调制，调制的结果是在调制臂中传输的 信号光的相位发生了变化。在调制臂中传输的控制光和信号光到 达解复用器2 时被分离，并从解复用器的两个不同输出口输出， 其控制光被耦合出m z 干涉仪，而信号光仍向前传输直至耦合 器2 并与由参考臂传输来的信号