基于传输型布拉格光纤光栅的光学计算和光脉冲整形器件的研究

论文摘要

光纤作为一种很理想的光波导,基于它的器件与其它波导器件相比,具有损耗低、体积小、抗电磁干扰、价格相对低廉等特点。在所有光纤器件中,光纤光栅因其具有的对光波的独特调控特性,在光纤传感、光纤通信以及光学计算等研究领域有着越来越多的用途。光纤光栅按周期大小分为布拉格光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPG）,相对于LPG,FBG对周围环境容忍度更高,更适用于实际的应用场合。FBG按照工作方式,可以分为反射式FBG和透射式FBG。相对于反射式FBG,透射式FBG工作时不需要额外的光环形器或耦合器。本论文围绕新型FBG的设计和应用展开,通过设计和应用多种新型透射式FBG实现光学计算和光脉冲整形等全光信号处理功能。论文主要内容包括:1)从理论上详细分析了逆向设计合成FBG的各种算法,主要包括映射算法、剥层算法和优化算法。映射算法主要包括空间时间映射法和空间频率时间映射法,其中空间时间映射算法只适用于弱反射FBG;空间频率时间映射法适用于弱到中强度反射FBG。剥层法包括离散剥层算法和连续剥层算法,其中离散剥层算法运算快故较为常用。优化算法主要包括遗传算法、牛顿算法与拟牛顿算法和信赖域算法等,其中遗传算法是一种进化算法,具有全局优化特性,但收敛速度慢,而牛顿算法、拟牛顿算法和信赖域算法均为迭代算法,具有局部优化特性,但收敛速度快。2)首次采用透射式FBG实现了THz带宽的分数阶光学微分器。由于分数阶的光学微分器是最小相位函数,其反射谱相位可以根据需要任意选择。作为例子,首先针对0.5阶的分数阶光学微分器进行设计且分别选取了反射谱的相位为线性函数、二次函数、三次函数和四次函数。结果表明,当相位的函数次数增加时,得到的FBG的耦合系数的最大值增加,而耦合系数的空间分辨率减小。故当反射谱相位选取二次函数时,得到FBG的耦合系数和周期更容易制作。接着将反射谱相位选取为二次函数,又设计了0.3阶、0.7阶和0.9阶分数阶的光学微分器。结果表明,随着微分阶数的增加,耦合系数的最大值增加,但是振荡减小。3)首次采用相位调制的布拉格光纤光栅（PM-FBG）实现了任意阶光学微分器的设计。其中,利用两步优化算法进行设计,包括非限制优化算法和限制优化算法。具体地来说,首先利用第一步非限制优化算法得到了一个较优的结果,然后用其作为第二步限制优化算法的输入,最终得到更优的结果。此算法对最开始输入值没有太多的约束,且比一步优化算法得到的值更加精确。作为例子,仿真设计了三种光学微分器,即0.5阶、1阶和2阶光学微分器。数值模拟证明所设计的三种光学微分器在带宽高达500 GHz时微分效果依然很准确。4)理论上提出并仿真验证了一个物理上可实现的相移FBG可以同时实现一阶光学微分和一阶光学积分。此FBG工作在反射方式时可作为光学微分器,工作在透射方式时可作为光学积分器。我们给出了这种相移FBG需要满足的条件,并进行了数值模拟计算。仿真结果表明,所设计的相移FBG可以很好地实现微分和积分功能。5)采用透射式的PM-FBG设计实现了任意阶的光学希尔伯特变换器。作为例子,我们数值设计仿真了0.5阶、1阶和1.5阶光学希尔伯特变换器,并利用拟牛顿法的优化算法设计了这些PM-FBG。仿真结果表明,所设计的三个希尔伯特变换器在带宽500GHz范围内都能很准确实现变换运算。6)提出利用透射式的PM-FBG实现脉冲倍频产生器,包括2倍频、3倍频、4倍频和8倍频脉冲产生器,并进行了数值模拟。当输入一个高斯脉冲时,分别得到了重复周期为10 ps的2个、3个、4个和8个高斯脉冲输出。仿真结果表明,所设计的PM-FBG很好地实现了脉冲倍频功能。7)介绍了基于紫外激光直写技术的FBG制作平台,该平台是利用相位掩模板和声光调制器来实现任意结构FBG的制作。在此平台上分别制作了仿真得到一阶光学微分器和2倍频脉冲产生器,制作的光栅的实际测量的透射谱响应与仿真结果基本一致。最后将2倍频脉冲产生器应用在从归零码开关键控（RZ-OOK）到非归零码开关键控（NRZ-OOK）的码型转换,并进行了实验验证。实验结果表明,所设计的器件很好地完成了码型转换。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘鑫

导师: 舒学文

关键词: 光纤光栅,布拉格光纤光栅,光信号处理,光学计算,光脉冲整形,码型转换

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

分类号: TN253

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.005088

总页数: 150

文件大小: 11607k

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