一種取樣光纖光柵短延遲特性的研究.pdf

1、光纖光柵是光子學(xué)領(lǐng)域中的一種重要器件，其波長(zhǎng)選擇性、體積和重量小、易于和纖維光學(xué)系統(tǒng)集成、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)使其在信息系統(tǒng)的很多領(lǐng)域都起著重要的作用，成為實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)、易升級(jí)的智能全光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)元件。取樣光纖光柵(SFBG)能夠提供梳狀反射譜，因此在多通道信號(hào)處理方面獲得了重要應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)時(shí)域皮秒(ps)高分辨信號(hào)延遲，從傅里葉變換可知，采用Sinc2取樣光纖光柵可以產(chǎn)生多通道線性短延遲，但是近期內(nèi)難以在制造上實(shí)現(xiàn)。本課題創(chuàng)新地提出并在制

2、造上采用高斯激光光束寫制的高斯SFBG從而獲得近似線性的多通道ps延遲階躍。我們?cè)O(shè)計(jì)、模擬、并制造出了多個(gè)線性ps短延遲的高斯SFBG，并利用高分辨延遲測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量獲得了一種高斯SFBG的多通道ps延遲值，這些系列研究工作的結(jié)果顯示了多通道線性ps短延遲是可以通過高斯SFBG取得的。
　　首先，我們介紹了光波導(dǎo)及光纖光柵的相關(guān)知識(shí)，重點(diǎn)調(diào)研了SFBG的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，我們發(fā)現(xiàn)針對(duì)SFBG多通道短延遲特性還沒有被研究，而有關(guān)應(yīng)用卻日顯

3、重要。我們用傅里葉變換理論研究了空間纖芯折射率變化與SFBG頻域中反射率通道剖面的關(guān)系，并通過耦合模理論模擬了光纖布拉格光柵(FBG)和矩形SFBG的反射譜及透射譜，并分析了SFBG產(chǎn)生梳狀反射譜的原理。得到了SFBG的反射譜剖面形狀與延遲譜剖面形狀的關(guān)系，即在弱光柵條件下，SFBG的線性反射譜剖面對(duì)應(yīng)于線性延遲譜剖面，這種近似關(guān)系對(duì)于光柵通道折射率高至90％也是適用的。由此，我們可以根據(jù)光柵反射譜形狀來(lái)判斷延遲譜形狀。
　　然后

4、，我們建立了高斯SFBG的纖芯折射率變化的數(shù)學(xué)模型，并分析了取樣個(gè)數(shù)s、高斯函數(shù)形狀因子S、光纖光柵長(zhǎng)度L等參數(shù)對(duì)于SFBG延遲譜的影響。我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種高斯SFBG并進(jìn)行了比較，第一組SFBG可以選出六個(gè)線性通道，平均延遲階躍為5.95ps，延遲階躍的標(biāo)準(zhǔn)差為0.54ps。優(yōu)化后設(shè)計(jì)的SFBG可以提供八個(gè)線性通道，平均延遲階躍為2.83ps，延遲階躍的標(biāo)準(zhǔn)差為0.21ps。因此，我們從理論上證明了這種高斯SFBG實(shí)現(xiàn)線性多通道ps延遲的

5、可能性。
　　基于我們的理論工作結(jié)果和設(shè)計(jì)，我們利用相位掩膜版?zhèn)让孀贤夤馄毓鈱懭敕ㄖ圃炝藥着?cm長(zhǎng)的高斯SFBG。通過測(cè)量和分析，我們發(fā)現(xiàn)在制造過程中，隨著擋光狹縫的增大，SFBG的反射光譜會(huì)由于一些效應(yīng)、包括短波長(zhǎng)效應(yīng)、狹縫與高斯光束中心對(duì)準(zhǔn)程度等會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的情況。我們?nèi)缓髮?duì)高斯SFBG的折射率變化的模型進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的SFBG的反射譜的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。我們制造的SFBG由于折射率變化利用率有限因而呈現(xiàn)較弱的

6、多波長(zhǎng)通道，我們?cè)赟FBG的反射譜上選取一段具有線性剖面的反射率通道，從而預(yù)測(cè)該光柵可以實(shí)現(xiàn)線性多通道ps短延遲。
　　為了評(píng)價(jià)我們?cè)O(shè)計(jì)制造的SFBG的實(shí)際延遲特性，我們?cè)O(shè)計(jì)并搭建了采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的ps短延遲測(cè)量系統(tǒng)，我們專門編寫了相關(guān)儀器的計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)程序控制測(cè)量過程、采用編寫的程序獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，并采取措施提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，在技術(shù)和機(jī)理上通過測(cè)量經(jīng)過光柵的電光調(diào)制信號(hào)的相位再轉(zhuǎn)換為時(shí)間延遲值。由此，我們獲得了一種

7、高斯SFBG的延遲譜，得到其4個(gè)通道的平均延遲階躍為9.67ps，但是這些通道的線性度并不很好。然后，我們針對(duì)線性和多通道這些關(guān)鍵要求對(duì)高斯SFBG的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，重新制造了一批光柵。通過高分辨測(cè)量，我們獲得了較為理想的多通道延遲譜，我們選取其中4個(gè)通道，發(fā)現(xiàn)其延遲階躍約為2.5ps，標(biāo)準(zhǔn)差為0.2ps。由此，我們證實(shí)了這種SFBG可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)線性多通道皮秒時(shí)間延遲。
　　在時(shí)域?qū)Χ嗦沸盘?hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)和安排是信息技術(shù)里的一個(gè)重要方面