一种取样光纤光栅短延迟特性的研究

摘要

光纤光栅是光子学领域中的一种重要器件，其波长选择性、体积和重量小、易于和纤维光学系统集成、抗电磁干扰等优点使其在信息系统的很多领域都起着重要的作用，成为实现可重构、易升级的智能全光网络的基础元件。取样光纤光栅(SFBG)能够提供梳状反射谱，因此在多通道信号处理方面获得了重要应用。为了实现时域皮秒(ps)高分辨信号延迟，从傅里叶变换可知，采用Sinc2取样光纤光栅可以产生多通道线性短延迟，但是近期内难以在制造上实现。本课题创新地提出并在制造上采用高斯激光光束写制的高斯SFBG从而获得近似线性的多通道ps延迟阶跃。我们设计、模拟、并制造出了多个线性ps短延迟的高斯SFBG，并利用高分辨延迟测量系统测量获得了一种高斯SFBG的多通道ps延迟值，这些系列研究工作的结果显示了多通道线性ps短延迟是可以通过高斯SFBG取得的。
　　首先，我们介绍了光波导及光纤光栅的相关知识，重点调研了SFBG的各个应用领域，我们发现针对SFBG多通道短延迟特性还没有被研究，而有关应用却日显重要。我们用傅里叶变换理论研究了空间纤芯折射率变化与SFBG频域中反射率通道剖面的关系，并通过耦合模理论模拟了光纤布拉格光栅(FBG)和矩形SFBG的反射谱及透射谱，并分析了SFBG产生梳状反射谱的原理。得到了SFBG的反射谱剖面形状与延迟谱剖面形状的关系，即在弱光栅条件下，SFBG的线性反射谱剖面对应于线性延迟谱剖面，这种近似关系对于光栅通道折射率高至90％也是适用的。由此，我们可以根据光栅反射谱形状来判断延迟谱形状。
　　然后，我们建立了高斯SFBG的纤芯折射率变化的数学模型，并分析了取样个数s、高斯函数形状因子S、光纤光栅长度L等参数对于SFBG延迟谱的影响。我们设计了两种高斯SFBG并进行了比较，第一组SFBG可以选出六个线性通道，平均延迟阶跃为5.95ps，延迟阶跃的标准差为0.54ps。优化后设计的SFBG可以提供八个线性通道，平均延迟阶跃为2.83ps，延迟阶跃的标准差为0.21ps。因此，我们从理论上证明了这种高斯SFBG实现线性多通道ps延迟的可能性。
　　基于我们的理论工作结果和设计，我们利用相位掩膜版侧面紫外光曝光写入法制造了几批2cm长的高斯SFBG。通过测量和分析，我们发现在制造过程中，随着挡光狭缝的增大，SFBG的反射光谱会由于一些效应、包括短波长效应、狭缝与高斯光束中心对准程度等会产生不对称的情况。我们然后对高斯SFBG的折射率变化的模型进行了优化，经优化设计的SFBG的反射谱的理论和实验结果非常一致。我们制造的SFBG由于折射率变化利用率有限因而呈现较弱的多波长通道，我们在SFBG的反射谱上选取一段具有线性剖面的反射率通道，从而预测该光栅可以实现线性多通道ps短延迟。
　　为了评价我们设计制造的SFBG的实际延迟特性，我们设计并搭建了采用矢量网络分析仪的ps短延迟测量系统，我们专门编写了相关仪器的计算机驱动程序控制测量过程、采用编写的程序获取测量数据，并采取措施提高测量系统的稳定性和测量精度，在技术和机理上通过测量经过光栅的电光调制信号的相位再转换为时间延迟值。由此，我们获得了一种高斯SFBG的延迟谱，得到其4个通道的平均延迟阶跃为9.67ps，但是这些通道的线性度并不很好。然后，我们针对线性和多通道这些关键要求对高斯SFBG的设计进行优化，重新制造了一批光栅。通过高分辨测量，我们获得了较为理想的多通道延迟谱，我们选取其中4个通道，发现其延迟阶跃约为2.5ps，标准差为0.2ps。由此，我们证实了这种SFBG可以被用来实现线性多通道皮秒时间延迟。
　　在时域对多路信号进行设计和安排是信息技术里的一个重要方面，随着科技发展，时域ps延迟技术有越来越多的需求，由于时间和频率互为倒数关系，所以线性多通道皮秒延迟器件也提供了一种获得太赫兹(THz)信号的技术途径。我们的高斯SFBG是一种优越的线性多通道皮秒延迟器件，将会在时域高分辨信号处理如多波束高频相控阵雷达系统里和THz信号产生领域有重要的应用。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 光纤光波导

1．2 光纤光栅

1．3 取样光纤光栅(SFBG)和短延迟及有关应用

1．4 本论文主要研究目的及内容

参考文献

第二章 短延迟取样光纤光栅的理论研究

2．1 取样光纤光栅原理

2．2 耦合模理论对SFBG的应用

2．3 SFBG的光谱特性

2．3．1 SFBG的反射谱特性

2．3．2 SFBG的延迟谱特性

2．4 一种高斯(Gaussian)取样光纤光栅的设计和模拟计算

2．4．1 高斯SFBG

2．4．2 不同设计参数对高斯SFBG光谱特性的影响

2．4．3 多通道线性剖面ps延迟SFBG设计

2．5 分析、讨论与结论

参考文献

第三章 取样光纤光栅的制造

3．1 光纤光栅制造概述

3．2 SFBG制造技术及问题

3．3 高斯光束直写的SFBG的制造

参考文献

第四章 取样光纤光栅的高分辨延迟测量

4．1 皮秒(ps)短延迟测量技术概述

4．2 一种皮秒短延迟测量系统的设计

4．2．1 电光调制与光电变换

4．2．2 ps短延迟测量系统设计

4．3 SFBG的测量和结果

4．3．1 仪器控制与数据获取

4．3．2 光栅测量与结果

4．3．3 光栅的改进和结果

4．3．4 问题与讨论

参考文献

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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