基于石墨烯—硅基有机混合波导的相位敏感放大器的特性研究

发布时间：2020-08-03 11:32

【摘要】：当今时代是一个信息大爆炸的时代,时代主题之一就是“信息”,所以人们对信息的传输速率、通信容量有着越来越高的要求。光通信就是在这样的大背景下诞生的,经过多年的发展,光通信传输速率越来越快、通信容量越来越大,但是损耗和色散仍然是制约光通信发展的难题。相位敏感光参量放大器(Phase-sensitive amplifier,PSA)可以直接对信号中同相的分量进行放大而衰减其正交分量,解决了光通信中的能量损耗问题,并能够对色散进行补偿,有效地提高了光信号的传输距离。PSA依据其物理过程的不同,可以分为基于三波混频(Three-Wavemixing,TWM)的PSA和基于四波混频(Four-Wave mixing,FWM)的PSA。在其中,基于FWM的PSA由于具有多种变化形式且在大多数介质都易于观测,被广泛的研究和应用,同时促进了光通信的发展。硅基波导具有良好的模场限制功能、极高的非线性折射率和极低的传输损耗,并且具有很强的兼容性,能与各种新型材料组合,是组建PSA时最常用的材料。本文的主要研究工作是设计了一个具有高非线性、低双光子吸收的波导结构,在该结构中引入了石墨烯,通过改变石墨烯的化学势来调节该波导的色散特性。同时基于该波导设计了一个双泵浦简并PSA,对不同的泵浦功率下PSA的特性进行了探究。本文的主要内容如下:1.综述了光通信的发展历史和PSA对光通信发展的促进作用,介绍了相位敏感放大的不同种类,分析了 PSA在光孤子通信和高级调制信号相位再生中发挥的作用。2.介绍了硅基波导的性质和几种常见的衍生结构,简要分析了相位匹配对PSA的影响,介绍了几种基于三阶非线性极化率的非线性效应,推导了波导中的光波的传输方程。3.介绍了波导中材料色散与结构色散的管理方法,并给出了几种常用材料的色散方程。对硅基波导的模场和色散进行分析和计算,并探究了 SOI(Silicon-On-Insulator)波导的相位敏感放大性能和相位再生能力。4.设计了一种含有石墨烯、硅、二氧化硅和对甲苯磺酸盐(para-toluene sulfonate,PTS)的有机混合波导。计算了不同化学势下石墨烯折射率随波长变化的趋势,探究了不同化学势下石墨烯的折射率的变化对该波导色散特性的影响。探究不同的结构参数对该有机混合波导色散性能的影响。5.基于上一章的波导结构设计PSA,将计算得到的各项参数代入修正后的非线性薛定谔方程中,探究该结构的相位敏感放大性能。在不同传输长度下,探究波导中的信号和泵浦之间的能量转换关系,得到波导相位匹配的相干长度。在不同泵浦功率下,探究信号的增益和输出相位随输入相位变化的趋势,分析该PSA的增益特性和相位再生性能。然后,分别针对大信号模型和小信号模型对该PSA的增益和相位再生性能进行探究。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN722
【图文】：

全光,再生器,相位,实验装置

键控（Ｂｉｎａｒｙｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｋｅｙｉｎｇ，ＢＰＳＫ）和差分相移键控信号（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｈａｓｅ逡逑ｉｆｔ邋ｋｅｙｉｎｇ，ＤＰＳＫ），多级相位调制信号有正交相移监控（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ邋ｐｈａｓｅ邋ｓｈｉｆｔ逡逑ｅｙｉｎｇ，ＱＰＳＫ）和８级相移键控（８－ＰＳＫ）等。这样的调制格式同时使用光载波的逡逑幅和相位来实现更高的频谱效率，从而提高整体数据容量［｜（）］。然而这种方法需逡逑非常复杂的发送器和接收器，制约下一代通信系统发展的主要限制变成复杂系逡逑带来的非线性相位噪声［１｜］。因此，研制一种可以实现相位再生的装置具有重大的逡逑用价值。使用ＰＳＡｓ的相位压缩能力［１２］可以用来实现相位再生，并且在饱和状态逡逑操作放大器［１３］，可以同时执行幅度再生。在ＰＩＡ如ＥＤＦＡ中，同相和正交的信逡逑分量经历相同的增益，信号被放大但是相位不发生变化。但是，在ＰＳＡ中，信逡逑的两个正交分量的放大方式不同，与泵浦同相的分量被放大，而正交分量被衰减。逡逑出信号的相位更接近泵浦的相位。输入信号的不同，导致输出信号具有０或７Ｔ的逡逑位，这种被称为“相位压缩”的效应适用于二进制相位编码信号的再生。２０１０年，逡逑ａｄａｎＳｌａｖｉｋ等人基于上述原理设计了适用于下一代电信系统的全光相位和幅度再逡逑器【１４］。逡逑ｆ邋．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．逡逑：逦ｌｉＯＭ逦＞邋：逦：逡逑

和频效应,差频效应,倍频效应,过程

基于ＦＷＭ的ＰＳＡ，依赖于介质的三阶非线性极化。根据信号、空闲和泵浦的逡逑频率关系，可以分为不同的类型。第一类ＰＳＡ中，四束光波的频率满足关系逡逑＝ｔｙ／ｏＶｅｒ邋＝邋１邋／２邋（吟／邋＋邋ｆｔ；；？—２邋），如图１邋－４⑷所不，四束光频率相等，图１邋－４邋（ｂ）属于逡逑第一类ＰＳＡ，信号是简并的，两个泵浦位于信号两侧，这一类ＰＳＡ可以称为简并逡逑ＰＳＡ。依据不同的频率关系，第二类ＰＳＡ可以分为相位共轭型＋逦＝逡逑⑴／ｗ／ｗｐ／邋＋逦）、调制不彳急疋型（＋邋ｃｙｗ／ｅｒ＿逦，即两束栗？甫频率相问）和逡逑布拉格散射型（队＿／＋０＾—２邋＝邋６；／？１—／＋（＾秦），分别如图１－４（（：）、（（１）、（６）所不。逡逑另夕卜，根据输入信号不同的偏振态，ＰＳＡ还可以分为标量ＰＳＡ和矢量ＰＳＡ。以相逡逑位共轭型ＰＳＡ为例，它的标量形式下，四束光的偏振状态完全相同；而它的矢量逡逑形式下，波矢需要Ｗ足＋邋Ａｙ？／，—〗－Ａ／Ｖ／／ｅｒ邋－心／纟ｍｉ／邋＝邋0。图１邋＿４邋（ｆ）给出一＊种间逡逑并矢量ＰＳＡ在ｘ－ｙ－ｃｏ坐标系上的表现

相位共轭,泵浦,信号,简并

逦＼￣＞逡逑ＵＪ邋尸邋Ｕ）２＝Ｕ）逦０Ｊ１＝０）２＝ＵＪ逦0Ｊ３＝２0Ｊ逡逑图１－３邋ＴＷＭ的不同过程，（ａ）差频效应，（ｂ）和频效应，（ｃ）倍频效应。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｒｅｅ－ｗａｖｅ邋ｍｉｘｉｎｇ，邋（ａ）邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｅｆｆｅｃｔ，邋（ｂ）邋ｓｕｍ逡逑ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｅｆｆｅｃｔ，邋（ｃ）邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｄｏｕｂｌｉｎｇ邋ｅｆｆｅｃｔ．逡逑１．２．２邋基于邋ＦＷＭ邋的邋ＰＳＡ逡逑基于ＦＷＭ的ＰＳＡ，依赖于介质的三阶非线性极化。根据信号、空闲和泵浦的逡逑频率关系，可以分为不同的类型。第一类ＰＳＡ中，四束光波的频率满足关系逡逑＝ｔｙ／ｏＶｅｒ邋＝邋１邋／２邋（吟／邋＋邋ｆｔ；；？—２邋），如图１邋－４⑷所不，四束光频率相等，图１邋－４邋（ｂ）属于逡逑第一类ＰＳＡ，信号是简并的，两个泵浦位于信号两侧，这一类ＰＳＡ可以称为简并逡逑ＰＳＡ。依据不同的频率关系，第二类ＰＳＡ可以分为相位共轭型＋逦＝逡逑⑴／ｗ／ｗｐ／邋＋逦）、调制不彳急疋型（＋邋ｃｙｗ／ｅｒ＿逦

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