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基于铌酸锂光波导的高速全光信号处理技术研究

2020-11-28阅读(117)

基于铌酸锂光波导的高速全光信号处理技术研究

论文摘要

全光信号处理是未来高速大容量全光通信网络的关键技术。基于铌酸锂光波导的全光信号处理具有超快、低噪声等优点,近年来受到越来越多的关注。本文围绕基于周期极化反转铌酸锂（PPLN）光波导的二阶和级联二阶非线性效应开展了全光波长转换、全光逻辑门、全光码型转换、全光信号再生和全光超宽带（UWB）信号产生等理论和实验研究,发现了二阶非线性和PPLN光波导“光相位擦除”新特性,具体内容如下:（1）讨论了基于PPLN光波导全光信号处理的基本理论。推导了倍频（SHG）、和频（SFG）、差频（DFG）、级联倍频和差频（cSHG/DFG）、级联和频与差频（cSFG/DFG）等二阶和级联二阶非线性效应非耗尽近似条件下的解析解,分析了转换效率和转换带宽,比较了转换功能和相位共轭即光谱反转特性。（2）对一个传统观念“二阶非线性和PPLN光波导完全透明”产生疑问并通过实验和理论论证了PPLN光波导其实也存在“不透明”的一面,并由此发现了二阶非线性和PPLN光波导“光相位擦除”的新特性。利用这一“光相位擦除”新特性实验实现了40 Gbit/s载波抑制归零码（CSRZ）到归零码（RZ）的码型转换、40 Gbit/s差分相移键控（DPSK）信号的真解调、光双二进制码（ODB）到非归零码（NRZ）和RZ的码型转换、传号交替反转码（AMI）到RZ的码型转换以及单极性伪归零码（S-PRZ）的产生。另外,实验发现了四波混频（FWM）“不透明”的一面及其“光相位擦除”新特性,同时实现了40 Gbit/s CSRZ到RZ的全光码型转换。（3）实验研究了基于PPLN光波导二阶和级联二阶非线性效应的高速全光波长转换。基于cSFG/DFG实验实现了40 GHz皮秒脉冲固定输入-可变输出（可调谐）、可变输入-固定输出、可变输入-可变输出等多功能全光波长转换以及同时正反向波长转换。构建新颖的PPLN光波导双环腔可调谐波长转换器基于cSFG/DFG实验实现了可调谐全光波长转换,无需任何外界注入连续光源,装置结构简单易实现,有效降低了系统复杂性和成本。基于cSHG/DFG实验实现了40 GHz皮秒脉冲“广播式”波长转换和40 Gbit/s频移键控（FSK）、光双二进制（ODB）、传号交替反转（AMI）等先进高级调制格式的波长转换。（4）理论和实验研究了基于PPLN光波导二阶和级联二阶非线性效应的高速全光逻辑门。基于SFG实验实现了40 Gbit/s NRZ非（NOT）门,理论研究了40 Gbit/s双向半减器、异或门（XOR）、或门（OR）。基于cSFG/DFG提出并理论研究了仅利用单个PPLN光波导同时实现40 Gbit/s与（AND）门、XOR门、OR门、半加器和半减器。实验实现了20 Gbit/s和40 Gbit/s三信道NRZ和RZ输入AND门以及20 Gbit/s和40 Gbit/s三信道NRZ-DPSK和RZ-DPSK输入XOR门。实验研究了40 Gbit/s CSRZ同时码型转换和AND门、CSRZ-DPSK同时码型转换和XOR门。基于cSHG/DFG实验实现了40 Gbit/s CSRZ的AND门。（5）理论和实验研究了基于PPLN光波导二阶和级联二阶非线性效应的高速全光码型转换。提出一种新颖的PPLN光波导环形镜码型转换器,基于SFG、cSHG/DFG、cSFG/DFG理论研究了40 Gbit/s NRZ到RZ的码型转换。实验实现了基于cSHG/DFG、cSFG/DFG 10 Gbit/s和20 Gbit/s NRZ到RZ的码型转换,采用全光时钟提取的方法获得同步抽运光时钟。提出并理论研究了40 Gbit/s NRZ-DPSK到RZ-DPSK、NRZ到CSRZ、RZ到CSRZ、NRZ-DPSK到CSRZ-DPSK以及RZ-DPSK到CSRZ-DPSK的码型转换并进行了验证性实验。（6）提出并理论研究了基于PPLN光波导的全光信号再生。基于cSHG/DFG且将信号光置于SHG过程准相位匹配（QPM）波长处,此时波长转换具有提高消光比、光信噪比和品质因子的功能,因而可以改善信号质量。（7）理论和实验研究了基于PPLN光波导的全光UWB脉冲信号产生。提出一种新的思路和方法用于产生任意阶UWB脉冲信号,即将UWB脉冲视为“过冲”和“下冲”的合成,利用参量放大可产生“过冲”而参量衰减可产生“下冲”,基于级联PPLN光波导SFG和cSHG/DFG理论研究了UWB Monocycle、UWB Doublet、UWB Triplet、UWB Quadruplet和UWB Quintuplet的产生。基于单个PPLN光波导SFG参量衰减作用实验实现了UWB Monocycle的产生。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 全光信号处理研究意义
  • 1.2 铌酸锂光波导
  • 1.3 基于铌酸锂光波导的全光信号处理
  • 1.4 实验中使用的铌酸锂光波导
  • 1.5 本文的工作
  • 1.6 课题的来源和受资助情况
  • 2 基于PPLN 光波导全光信号处理基本理论
  • 2.1 引言
  • 2.2 二阶非线性效应
  • 2.3 级联二阶非线性效应
  • 2.4 各种二阶和级联二阶非线性效应综合比较
  • 2.5 光相位共轭
  • 2.6 本章小结
  • 2.7 本章创新点
  • 3 二阶非线性和PPLN 光波导“光相位擦除”新特性
  • 3.1 引言
  • 3.2 PPLN 光波导“不透明”特性的实验发现和理论研究
  • 3.3 二阶非线性和PPLN 光波导“光相位擦除”新特性及其应用
  • 3.4 四波混频（FWM）“光相位擦除”新特性
  • 3.5 如何理解“完全透明”
  • 3.6 本章小结
  • 3.7 本章创新点
  • 4 基于PPLN 光波导的高速全光波长转换
  • 4.1 引言
  • 4.2 基于PPLN 光波导可调谐高速全光波长转换
  • 4.3 基于PPLN 光波导反向波长转换和同时正反向波长转换
  • 4.4 基于PPLN 光波导环形腔激光器的全光波长转换
  • 4.5 基于PPLN 光波导“广播式”全光波长转换
  • 4.6 基于PPLN 光波导40 Gbit/s FSK/ODB/AMI 全光波长转换
  • 4.7 本章小结
  • 4.8 本章创新点
  • 5 基于PPLN 光波导高速全光逻辑门
  • 5.1 引言
  • 5.2 基于PPLN 光波导SFG 的高速全光逻辑门
  • 5.3 基于PPLN 光波导cSFG/DFG 的高速全光逻辑门
  • 5.4 基于PPLN 光波导cSHG/DFG 的高速全光逻辑门
  • 5.5 基于PPLN 光波导实现所有全光逻辑门
  • 5.6 本章小结
  • 5.7 本章创新点
  • 6 基于PPLN 光波导的高速全光码型转换
  • 6.1 引言
  • 6.2 基于PPLN 环形镜NRZ 到RZ 的全光码型转换
  • 6.3 基于PPLN 光波导NRZ 到RZ 全光码型转换实验研究
  • 6.4 基于 PPLN 光波导 NRZ/RZ/CSRZ/NRZ-DPSK/RZ-DPSK/CSRZ-DPSK 相互间全光码型转换
  • 6.5 基于 PPLN 光波导 40 Gbit/s NRZ 到 RZ/CSRZ 和 NRZ-DPSK 到RZ-DPSK 全光码型转换实验研究
  • 6.6 本章小结
  • 6.7 本章创新点
  • 7 基于PPLN 光波导的全光信号再生
  • 7.1 引言
  • 7.2 两种cSHG/DFG 方案非耗尽近似解析解
  • 7.3 消光比改善的可调谐全光波长转换
  • 7.4 消光比改善的“广播式”全光波长转换
  • 7.5 光信噪比和品质因子改善的全光波长转换
  • 7.6 本章小结
  • 7.7 本章创新点
  • 8 基于PPLN 光波导超宽带UWB 信号产生
  • 8.1 引言
  • 8.2 基于级联PPLN 光波导产生任意阶UWB 信号
  • 8.3 基于单个PPLN 光波导SFG 产生超宽带Monocycle 实验研究
  • 8.4 本章小结
  • 8.5 本章创新点
  • 9 全文总结
  • 致谢
  • 参考文献
  • 研究成果概述
  • 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
  • 附录2 攻读博士学位期间的相关成果
  • 附录3 英文缩写简表
  • 附录4 与国际同领域研究结果比较

    • 相关论文文献

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