基于光纤中非线性效应的全光逻辑门研究

论文摘要

光逻辑器件在光存储、光计算、光交换及光网络中具有广泛的应用,响应速度是光逻辑器件的重要性能指标。目前,国内外研究重点主要集中在利用半导体光放大器(SOA)的非线性特性实现光逻辑门,但受到载流子增益恢复速率的限制,基于SOA的光逻辑门响应速率仅几十Gbit/s,而高非线性光纤因其具备响应速度快,所需输入功率低,工作效率高,功耗小及良好的非线性特性等优点,实现的光逻辑门可以达到Tbit/s的超快响应,因此高非线性光纤很适合用来制作全光逻辑器件。本文以光脉冲在非线性光纤中的传输方程为出发点,对光纤中的非线性效应进行了理论分析,并数值模拟和实验仿真了几种全光逻辑门。具体工作如下:1.在查阅国内外文献的基础上,阐述了全光逻辑门的研究背景和意义,概括了全光逻辑门的研究现状和实现方案。并根据实验室具体条件,选取了基于光纤中非线性效应的全光逻辑门作为研究对象。2.从非线性薛定谔方程出发,探讨了光纤中的自相位调制、交叉相位调制等几种非线性效应对光脉冲在光纤介质中传输时的影响。3.研究了基于光纤中交叉相位调制效应的全光逻辑“与门”。分析了这种方案的工作原理,利用Matlab软件编程,进行数值模拟,得到了10Gbit/s高斯脉冲逻辑“与”运算过程,探讨了各种参数对逻辑运算结果的影响。使用Optisystem对10Gbit/s全光逻辑“与门”进行了仿真验证,仿真结果和数值模拟结果相一致。通过分析仿真结果,提出一种基于光纤中自相位调制效应的全光逻辑“与门”优化方案。4.研究了基于光纤中交叉相位调制效应的全光逻辑“异或门”。分析了这种方案的工作原理,利用Matlab软件编程,进行数值模拟,得到了10Gbit/s全光逻辑“异或门”的工作过程。使用Optisystem仿真验证了10Gbit/s全光逻辑“异或门”,仿真结果和数值模拟结果相一致。通过分析仿真结果,提出了基于SPM光开关和克尔开关抑制逻辑“异或门”残留余峰的方法。最后提出了一种基于光纤中交叉相位调制效应的重构“或门”实现方案,仿真得到了10Gbit/s全光逻辑“或门”信号,并对仿真结果进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究意义
• 1.2 国内外对全光逻辑门的研究状况
• 1.2.1 基于半导体光放大器的全光逻辑门
• 1.2.2 基于非线性光纤的全光逻辑门
• 1.2.3 其他类型的全光逻辑门
• 1.3 方案选取
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 光纤中非线性效应的理论分析
• 2.1 光纤及其非线性特性
• 2.1.1 光纤的发展
• 2.1.2 光纤的非线性特性
• 2.1.3 高非线性光纤
• 2.2 光脉冲传输方程
• 2.3 光纤介质影响脉冲传输的几种非线性效应
• 2.3.1 自相位调制效应
• 2.3.2 交叉相位调制效应
• 2.3.3 克尔效应
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于光纤中XPM 效应的全光逻辑“与门”
• 3.1 实现原理
• 3.2 数值模拟
• 3.2.1 理论模拟
• 3.2.2 模拟结果的讨论
• 3.3 仿真验证
• 3.3.1 仿真结果
• 3.3.2 结果分析
• 3.3.3 改进方案
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于光纤中XPM 效应的全光逻辑“异或门”
• 4.1 实现原理
• 4.2 数值模拟
• 4.2.1 理论模拟
• 4.2.2 模拟结果的讨论
• 4.3 仿真验证
• 4.3.1 仿真结果
• 4.3.2 改进方案
• 4.4 重构“或门”
• 4.4.1 实现原理
• 4.4.2 仿真结果
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果