摘 要

近年来，为适应信息传输速度的要求，在信息传输领域，全光网络的研究值得注意，其中实现全光网络的关键技术——全光转换技术还有待进步和完善。实现全光转换的思路之一是利用介质材料的非线性光学，在波导中完成波长转换。

本文提出使用氮化硅作为波导芯层材料，以避免双光子吸收和克服FCA的影响，借助光学仿真软件，实现模拟光波导的设计，计算不同波导结构几何参量下，波导中存在的色散。通过调节波导结构的几何参量，对氮化硅光波导进行色散管理，以实现在波导中进行有效的波长转换。

论文主要研究内容：

叙述了光在波导中的传输理论，简化并推导出在不同条件下特定的波动方程。由介质波导中的光学特性，推导出波导中的色散系数的表达式。

介绍了波导中存在的几种非线性光学效应，重点介绍四波混频效应的产生原理，推导与色散系数相关的相位匹配条件。

利用有效折射率近似法，讨论了阶跃折射率分布的条形波导的单模传播条件，通过归一化计算得出设计单模波导的方案。

总结氮化硅和条形波导在非线性光学中的优势，实现对光波导的色散管理，给出符合相位匹配要求的波导结构，对氮化硅光波导进行色散验证和模式计算与分析。

关键词：全光波长转换；氮化硅光波导；色散管理；非线性光学

Abstract

In recent years, in order to meet the requirements of information transmission speed, in the field of information transmission, all-optical network research is worth noting. The optical wavelength conversion need to be improved as a key technology of all-optical network.

One of the ideas to realize all-optical conversion is to complete the wavelength conversion in the waveguide by using the nonlinear optics of the dielectric material. In this paper, silicon nitride is proposed as a waveguide core material to avoid two-photon absorption and overcome the influence of FCA, and with the help of optical simulation software, the designed optical waveguide can be simulated in a PC, and by changing geometric parameters of waveguide, the dispersion in waveguide can be calculated in different waveguide structures.

By adjusting the geometrical parameters of the waveguide structure, the dispersion management of silicon nitride optical waveguide is carried out in order to realize the effective wavelength conversion in the waveguide.

The main research contents of this thesis are as follows:

The transmission theory of light in waveguide is described, and the specific wave equations are simplified under different conditions. Based the optical characteristics in the dielectric waveguide, the expression of the dispersion coefficient in the waveguide is deduced.

Several nonlinear optical effects in waveguide are introduced, the generation principle of four wave mixing(FWM) is introduced emphatically, and the phase matching conditions related to dispersion coefficient are deduced.

Using the effective index method（EIM）, the single-mode propagation condition of the bar waveguide with step refractive index distribution is discussed, and the scheme of designing single-mode waveguide is obtained by normalized calculation.

Summarizing the advantages of silicon nitride and bar waveguide in nonlinear optics, the dispersion management of optical waveguide is realized, the waveguide structure which conforms to the requirement of phase matching is given, and the dispersion verification and pattern calculation and analysis of silicon nitride optical waveguide are carried out.

Key Words： all-optical wavelength conversion；silicon nitride optical waveguide；dispersion management；nonlinear optics

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 全光网络 2

1.3 波长转换技术 2

1.5 本文主要工作 4

第二章 四波混频技术 6

2.1 光的传输理论 6

2.2 非线性效应 8

2.3 四波混频技术 11

2.4 总结 13

第三章 氮化硅光波导结构和模式分析 14

3.1 氮化硅（Si₃N₄） 14

3.2波导结构分析 15

3.3 模式分析 16

3.4 总结 19

第四章 氮化硅光波导的色散研究 21

4.1 波导的色散分析 21

4.2 波导的色散调整 23

4.3 波导的模式分析 25

4.4 氮化硅光波导的制备 26

4.5 波导的实验测量 27

4.6 总结 29

第五章 总结与展望 30

5.1主要研究内容 30

5.2展望 30

参考文献 31

致谢 32

第一章 绪论

1.1研究背景

20世纪七十年代，低损耗试验光波导（损耗为20dB/km）的研制成功，标志了光波导通信时代的开启。相比较传统的电缆通信，光波导通信具有诸多优势，如：低损耗，传输信号频带宽，大容量，小尺寸，抗电磁干扰，低串扰等，备受业内人士的关注与青睐。因此，光波导通信技术在短时间内得到了迅速发展，在2006年我国长途传输网的光波导化比例已超过80%，2017年底中国电信实现了全光网络运营。由此可见，光波导传输已逐渐取代了过去传统的电缆通信，如今，光波导通信技术的进步不仅促进看光波导通信的发展，更成为了提高现代通信网络性能不可缺少的核心^[1]。

随着信息化进程的加快，通信技术的更新迭代，光波导到户、三网合一、云计算等技术得以实现，早期的光波导通信技术已经不能适应当下通信技术的发展。为了提高速率和增大容量，光复用技术，如光时分复用技术（Optical Time-Division Multiplexing，OTDM）和密集波分复用技术（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）等被应用到光通信中。通过在同一光波导上同吋传输若干个波长不同、携带数据信息不同的光波，使得光波导的带宽资源被充分利用，从而提高光波导传输的容量。然而在实际应用中，光通信网络同时传输的光载波数量仍然远远少于实际的节点数目和用户数目。与此同时，当多个波长的信号向同一个路由连接时会造成波长竞争^[1]，使得波长碰撞，影响数据的通行。为此，如图1.1所示，在光通信网络中采用光缓存、码型转换和时钟恢复等控制单元，将数据在不同波长中进行转移，使得不同波长携带的信息可以在节点处进行路由。

图1.1 DWDM 光网络节点示意图

尽管光网络的节点是完全光化的，但是在节点处使用电子设备，并且在传输期间需要以光 - 电 - 光的形式转换信号。 然而，信号的形式变换很大程度上限制了总容量的提高。为解决光网络这一缺陷，全光网络（All-Optical Network，AON）这一概念被提出，即在光网络中信号始终以光的形式进行传输和交换。

1.2 全光网络

全光网络是指在通信网络中，以光结点代替电结点，采用光波技术在结点处进行信息的传输和交换的新型网络。在全光网中，网络通信的所有功能都可直接在光层完成，即信号无需通过光电、电光的转换。信息只需在结点处进行波长转换，即信息在传输和交换的过程中无需变换形式。这样一来也使得光通信网络中的同一波长可被重复使用，减少光网络中的载波数量，从而有效避免波长碰撞，大大提高网络中数据的通行速率。

由此可见，相比于传统电通信网络和光电结合的网络，全光网络具有其独特的优势：

首先，由于在光层实现传输和交换信号，光网络最大程度地优化了对传输信息量的利用，使得通讯距离和容量都远远超过了原先的通信方式，扩宽了带宽区域。

其次，在光通路的连接中，从端到端都采用了光交换技术，根据波长进行数据的选择和拾取，不受传输码率和电光/光电调制方式的制约。

第三，通讯网络以光波导为基础构成，结构简单，便于管理和维护。同时该网络的重构性和扩展性强，可通过改变网络结构来适应不同业务量的要求。

第四，由于无源光器件的使用，整个网络的交换速度得以提升，网络可靠性也相对比较高。

正是由于全光网络所具有的这些不可忽略的优势，为全光网络成为光网络的首选方案发展趋势提供了强有利的依据。

全光网络的实现依托于渚多先进的光学技术，例如：光传输、光放大、光再生、光交换、光存储、全光中继技术、光复用技术（Optical Multiplex，OM）、光分插复用（Optical Add Drop Multiplex，OADM）、光交叉连接（Optical Cross Connect，OXC）、光交换技术（Photonic switching）等^[1]。以当前的发展来看，大多全光网络的关键技术基本能够满足全光网络的基本需求，其中，全光中继技术克服了全光网络的“电子瓶颈”，光复用技术有效扩充了系统的通信容量，光分插复用简化了网络节点的硬件设备和相应的管理操作，光交叉连接实现网络中波长重配置的功能。但是全光通信技术仍存在很多进步的空间，例如其核心技术——光交换技术，相较于其他关键技术，还有待发展和改进。

1.3 波长转换技术

为了适配不同波长对应的信息传输模式，在网络的中间节点处，通过处理将携带信息的某一波长信号，转载到不同波长的载波上去的光通信技术，称为波长转换技术。波长转换技术的运用，使得光交换网络更具灵活性，是降低数据通信阻塞率的必要手段。目前波长变换研究与应用的变换器主要有两种: O/E-E/O型和全光波长交换（AOWC：All-Optical Wavelength Converter，用于实现光交换技术的设备）。

1.3.1 O/E-E/O型

为满足DWDM传输的需要，从普通光发射机输出的光波波长需要通过光转换单元（Optical Transform Unit ，OTU）进行转换。光-电-光（O-E-O）波长转换器相当于光传输线路中的1R（再生）或3R（再放大、再整型和再定时）中继器。对某一波长的光信号进行此类波长转换的过程如下：首先，光信号由光电检测器接收，通过处理实现光-电（O-E）转换；然后，输出的电信号以比特流的形式存储在先进先出队列装置（First Input First Output，FIFO）中；最后，驱动可调激光器，调制到所需波长，并通过激光器将信号发射出去，实现电-光（E-O）转换，得到所需波长的输出信号。

O-E-O波长变换技术尽管具有以下优势：系统原理简单，可应用于宽范围的输入光功率，对偏振不敏感，但其电路结构相对复杂，不可能实现对传输速率的完全透明。同时原先的光信号，其相位、幅度等信息经过转换后丢失，因此为了达到网络中光信号的完全透明传输的要求，现在波长转换技术的研究主要在于全光波长变换。

1.3.2全光波长转换器(AWOC)

光交换技术是指在光域内将某一波长（频率）的光信号，无需经过光-电处理，直接转换到另一波长（频率）上的转换技术^[2]。这种转换技术可以避免由光电光波长转换中的电子元件引起的速度瓶颈和低透明度等问题。对于解决全光网中的波长竞争问题，有效避免波长碰撞，大大提高网络中数据的通行速率等均有重要的意义。

AWOC主要有两种模式：光调制型和光混频型（也称相干型）。

光调制型的原理是通过输入的信号光（亦称泵浦光），来引起光器件参数，如载流子浓度、折射率等的变化，使得作为探测光的另一连续光信号CW受到泵浦光的调制，输出携带了泵浦光的信息的光波，从而完成波长转换。这种类型的波长转换的实现利用了半导体增益介质存在的非线性效应——交叉增益调制（Cross gain modulation，XGM）、交叉相位调制(Cross phase modulation，XPM)等。在半导体光放大器(Semiconductor optical amplifier，SOA)中，XGM和XPM分别使载流子浓度和折射率发生改变，实现对检测光CW的调制。光调制波长变换器还包括了饱和吸收半导体激光器、非线性光学环镜型波长转换器等。采用 SOA 实现波长转换可以使光器件装置结构更为紧凑，转换效率更高。但是这类波长转换限制了增益带宽(30nm)，导致输入光的动态调节范围有限和离散波长转换。

光混频效应是指若干个的光波在非线性介质中相互作用而产生新的光波成分的非线性响应。光混频效应又分和频、差频效应，以频率为1、₂、₃，其中3 =（1 2）的三个光波的作用过程为例，如图1.2所示

1

2

₃

₂

₁

₃



（a）和频产生过程示意图

1

3

₂

₂

₁

₃



（b）差频产生过程示意图

图1.2 光混频示意图

当非线性介质中有频率1、2的光波入射时，由于二次非线性极化作用，介质中产生入射光频率相加所对应的极化强度，从而使得频率为3的光波产生，这个过程称为和频产生过程，如图1.2（a）所示；当非线性介质中有频率1、3的光波入射时，由于二次非线性极化作用，介质中产生入射光频率相减所对应的极化强度，从而使得频率为2的光波产生，这个过程称为差频产生过程，如图1.2（b）所示。

光调制产生的新的光波成分携带了泵浦光的强度、相位信息，因而这是一种能够对输入信号进行严格透明变换的AWOC。光波导通信领域内所研究的波长变换主要是基于三次非线性效应，例如：基于SOA的四波混频效应（Four Wave Mixing，FWM）、基于光波导中的FWM。虽然FWM中的三次非线性系数较小，但其中相互作用光的波长差较小，且参量过程中无需严格满足相位匹配条件，因此基于光波导中的FWM在全光波长交换中得到了广泛的研究（下一章将对FWM进行详细介绍，这里就不再赘述）。

1.5 本文主要工作

本论文共分五章：

第一章为绪论，以光通信网络的发展为主要研究背景，谈及光网络的发展方向——全光网络，简要地介绍了全光网络及其所包含的光通信技术，重点介绍了光交换技术，描述了光调制与光混频的作用过程，结合近年来关于光波导的相关研究，总结了非线性波长转换的发展方向。

第二章先介绍了光在波导中的传输理论，从麦克斯韦方程组出发，推导出相应的波动方程。根据得出的波动方程，阐述了介质波导的光学特性，推导出色散系数的表达式。简要地描述了极化率方程，在阐述过的理论基础上，重点介绍四波混频效应（FWM）及其相位匹配技术，最后简要在非线性光学领域中的应用。

第三章通过对比几种常见的光学材料，给出适合本设计的非线性波导的芯层材料—氮化硅（Si3N4），并介绍了Si3N4的物理性质和光学特性，选择合适的波导结构，并给出便于分析和符合要求的氮化硅光波导结构设计，最后以有效折射率近似法为基础，讨论并给出阶跃折射率分布的条形波导的单模传播条件。

第四章利用软件Rsoft对设计的波导结构进行绘制与仿真，通过计算并绘制不同波导结构参数的色散曲线，对比色散曲线并给出符合相位匹配要求的波导结构，最后对其进行色散验证和模式计算与分析。

第五章总结本文中的主要内容，并对氮化硅光波导未来的应用和发展做了一定展望。

第二章 四波混频技术

2.1 光的传输理论

光作为电磁波，在波导中的传播也遵从麦克斯韦方程式。考虑到光在匀介质波导中传播，由麦克斯韦方程可推导出以下波动方程：

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