随着互联网的发展, 网络数据流量极速增长, 全光网(AON)概念的提出有利于解决可用带宽受限、信号传输速率较低等问题。其中, 全光逻辑信号处理为AON的重要组成部分。根据周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的二阶非线性效应原理, 将产生的输出信号连续送入不同的PPLN波导进行叠加处理, 设计出全光2线-4线译码器的波导级联结构, 通过数值计算仿真得到了波形图和眼图, 分析了全光2线-4线译码器输出信号的半高全宽(FWHM)、峰值功率、延迟时间和消光比。仿真结果表明: 采用PPLN波导级联的方式实现了2线-4线译码器在光域中的逻辑功能, 同时保证了光信号的传输质量, 为PPLN波导的全光信号处理提供了新的器件类型。

针对铌酸锂波导质子交换的精确控制提出了一种预热-反应方法, 建立了质子交换温控模型, 并对该模型进行了PID控制参数整定和温度波动误差分析, 在此基础上研究了质子交换过程中温度波动对H+浓度纵向分布的影响。采用预热-反应方法制作了波导样本, 实验测试了其折射率纵向分布, 并与传统工艺制作的波导样本测试结果进行对比, 验证了所提方法对质子交换精确控制的有效性。实验表明: 预热-反应方法折射率分布同理论计算折射率分布结果吻合更好。

在高速的光通信网络中,现有的光网络交换能力与传输能力相比严重失衡,建立全光网络(AON)成为解决该问题的一种有效途径。但是由于全光逻辑器件的不完善,使得全光分组交换技术无法达到实用阶段。基于周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的和频+差频效应(SFG+DFG),在准相位匹配条件下,采用波导级联的方式设计并实现了全光2选1数据选择器。通过数值计算和仿真得到波形图和眼图,并利用脉冲宽度、消光比以及峰值功率延迟时间等参数分析数据选择器的性能。结果表明,采用PPLN波导级联的方法对信号光进行处理,不仅可以完成相应的逻辑功能,而且可以保证信号的传输质量,还扩展了PPLN波导在全光逻辑信号处理方面的能力。

全光或门是全光逻辑信号处理中必不可少的一项基础技术, 以往采用周期性极化铌酸锂（PPLN）波导实现的全光或门的输出光波均是混频波。本文基于PPLN波导的和频+差频效应（SFG+DFG）, 在准相位匹配条件下, 通过三个PPLN波导的级联设计实现了单波长输出的全光或门。通过数值计算和仿真得到了信号波形和眼图, 并通过计算消光比、脉冲宽度以及峰值功率的延迟时间分析了单波长全光或门的性能。结果表明, 本方案能很好地实现单波长输出的全光或门, 其输出光波能直接应用于光域, 从而改善光逻辑器件的衔接, 提高处理速度, 并为研发新型全光逻辑器件提供重要基础。

全光逻辑信号处理是光通信网络中的关键技术，对于实现全光网络具有重要意义。基于周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的和频效应+差频效应，在准相位匹配条件下，采用波导级联的方式设计并实现了全光数值比较器。通过数值计算和仿真得到波形图，并通过讨论眼图、脉冲宽度、消光比以及峰值功率延迟时间等指标分析了全光数值比较器的性能。结果表明，采用波导级联的方法对信号光进行处理，不仅可以完成相应的逻辑功能，而且可以保证信号的传输质量，还扩展了PPLN波导在全光逻辑信号处理方面的应用。

为实现铌酸锂退火质子交换(APE)波导折射率分布的准确计算, 选择含苯甲酸锂的苯甲酸缓冲液作为质子交换质子源, 高温退火制作了波导样本。针对该工艺过程建立退火质子交换波导模型, 包括非线性扩散模块和光学数值仿真模块, 分别计算APE波导折射率及其模式有效折射率。以测得的样本波导模式有效折射率和计算的有效折射率差的均方根构建评价函数(FOM), 结合遗传算法提取该工艺条件下质子扩散参数, 实现了不同交换深度和退火时间波导折射率分布及其光学特性的一体化计算。实验表明: FOM小于0.001, 计算折射率分布同IWKB方法测得结果吻合较好, 最大偏差约0.002。

采用光纤作为传输链路, 将光子晶体光纤作为系统的输出阵列, LiNbO3波导作为相位调制器, 构建了一种基于光纤光路的光波导光学相控阵。根据光学相控阵理论和LiNbO3波导的电光效应, 分析了系统的可行性, 并研究了这种新型结构下的光波导光学相控阵的输出衍射特性和光子晶体光纤阵列结构参数的关系。研究结果表明通过控制施加在LiNbO3波导上的电压可以改变出射光束的附加相位从而实现光束的偏转; 光子晶体光纤阵列上的纤芯数量、纤芯间距以及纤芯的排列方式等结构参量会对系统的输出光束的光强分布、半峰值全宽度(FWHM)和归一化的振幅分布产生影响。随着光子晶体光纤制作工艺的不断发展, 系统的光束扫描质量将会逐渐提高并且色散特性和传输特性将会获得改善, 为今后这种光学相控阵系统的设计提供了理论基础和技术依据。

采用稀释硬脂酸和高温质子交换技术,研究了单偏振α相铌酸锂光波导的制备工艺。开发了一种高温密闭装置,通过提高蒸汽压的方法实现了350 ℃质子交换。波导折射率分布测试采用了棱镜薄膜耦合m线技术结合统计迭代法拟合的方法,晶相分析采用了红外吸收光谱技术。实验结果表明,掺入1.1%硬脂酸锂质量比例的硬脂酸作为缓冲质子源,经350 ℃/6 h高温质子交换,可以形成α相铌酸锂光波导,稀释度为1.3%时,同样的温度/时间条件下,可以获得632.8 nm单模α相铌酸锂光波导。

研究了一种高温质子交换制备铌酸锂光波导的工艺技术,质子源是稀释的苯甲酸熔融液,通过提高蒸气压的方法实现了350 ℃质子交换,X线衍射测试表明波导层具有单纯的α相结构。采用该技术实验制备了铌酸锂Y分支波导,报告了波导单模特性的测试判断方法,研究了控制波导单模传输的工艺环节。测试表明,试制样品在1 310 nm和1 550 nm波长下具有良好的单模传输特性。

基于周期极化铌酸锂波导，提出了一种采用和频产生与差频产生级联的全光单光子波长变换方案.在海森堡绘景下,通过非线性变换过程的哈密顿量求解了目标单光子信号的湮灭算子，进而根据变换前后的光子数算符之比得到了单光子波长变换的效率.分析了和频产生过程以及差频产生过程中单光子的转换效率与泵浦功率之间的关系，证明了存在最佳泵浦功率使得量子态能够完全转移.数值分析结果表明，当上变换（和频产生）泵浦光功率为65 mW、下变换（差频产生）泵浦光功率为150 mW时，由1 550 nm到1 530 nm的单光子波长变换可达到61%的转换效率.给出了级联单光子波长变换的实验装置，包括周期极化铌酸锂波导、泵浦激光、准单光子信号源、滤波等光学元器件、单光子探测器和同步线路.