光纤光栅在微波光子滤波、波长开关和光纤激光器中的应用

论文摘要

光纤光栅是一种重要的器件,在光通信系统、微波光子系统、光信号处理以及光传感等领域有着广泛的应用。本文主要研究了光纤光栅在直接微波光子滤波,高速波长开关和双波长可转换光纤激光器中的应用。本文首先简单介绍了基本的光纤光栅制作技术、描述光纤光栅基本特性的耦合模理论以及对复杂结构的光纤光栅进行数值模拟的传输矩阵方法。接着介绍了一种先进的光纤光栅制作设备,该设备基于在光纤中多重写入的技术并且使用连续光源,能用来制作结构复杂的光纤光栅,包括相移、切趾和啁啾。本文提出了对微波信号进行直接光学滤波并直接检测的技术。一根具有双反射峰的多重写入反射型光纤光栅,能被用作毫米波信号的直接光滤波器。误码率测量证实了该滤波器在中心波长为20 GHz,半宽高为2 GHz的传输频带中呈现很好的开关特性,这也证明了该技术的可行性。这一技术能被用于无线电波光纤传输系统。然后,本文主要对写在双孔光纤上(内含电极)的光栅进行了研究。该光栅4厘米长并且Hamming切趾。温度依赖性的测量显示该器件的双折射随着温度而增加。动态测量实现了纳秒级的关/开和开/关响应。在电脉冲激励过程中,机械压力使得x偏振的光栅波长蓝移,而y偏振的光栅波长红移。接着,在几百毫秒内,机械压力逐渐减弱,纤芯温度逐渐增加,这两个因素导致x偏振和y偏振的光栅波长都红移。两种偏振的所有波长移动量跟脉冲电压的平方成正比,跟脉冲持续时间呈线性关系。数值模拟对实验结果做了正确的描述,帮助理解波长开关的物理含义。最后,本文提出了两种基于光纤光栅的双波长可转换掺铒光纤激光器。第一个光纤激光器引入了两个激光波长的重叠腔和混合增益介质。双波长开关可通过控制拉曼泵浦功率来实现。另一个光纤激光器采用了注入技术,注入激光器的功率控制了双波长开关。经测量,开关时间约为50微秒。本文在实验上研究了这两个双波长光纤激光器的开关特性,并解释了相应的物理含义。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤的光敏性
• 1.2.1 光纤光敏性的发展历史
• 1.2.2 掺锗光纤光敏性的机理
• 1.2.3 石英光纤的紫外增敏技术
• 1.3 光纤光栅的分类
• 1.3.1 光纤Bragg光栅
• 1.3.2 闪耀光纤光栅
• 1.3.3 啁啾光纤光栅
• 1.3.4 长周期光纤光栅
• 1.3.5 切趾光纤光栅
• 1.3.6 相移光纤光栅
• 1.3.7 超结构光纤光栅
• 1.3.8 多重写入光纤光栅
• 1.4 光纤光栅的应用背景
• 1.4.1 微波光子滤波
• 1.4.2 波长开关
• 1.4.3 光纤激光器
• 1.5 本论文的章节安排
• 1.6 本论文的主要创新点
• 2 光纤光栅的制作技术及模式理论
• 2.1 基本的光纤光栅制作技术
• 2.1.1 干涉写入法
• 2.1.2 相位掩模法
• 2.1.3 逐点写入法
• 2.2 先进的光纤光栅制作技术
• 2.2.1 在光纤中多次写入技术
• 2.2.2 使用连续紫外激光
• 2.3 光纤光栅的模式理论
• 2.3.1 光纤光栅的基本特性
• 2.3.2 耦合模理论
• 2.3.3 传输矩阵法
• 3 微波信号的直接光滤波
• 3.1 引言
• 3.1.1 非相干滤波
• 3.1.2 相干滤波
• 3.1.3 对微波信号进行非相干光子滤波和直接光子滤波的比较
• 3.2 直接微波光子滤波结合直接检测
• 3.2.1 工作原理
• 3.2.2 实验结构
• 3.2.3 实验结果
• 3.2.4 应用
• 4 高速波长开关
• 4.1 引言
• 4.2 光纤光栅器件的制作
• 4.3 静态实验
• 4.3.1 温度依赖性测量
• 4.3.2 讨论和计算
• 4.4 动态实验
• 4.4.1 实验结构
• 4.4.2 实验结果和讨论
• 4.5 数值模拟
• 5 双波长可转换的光纤激光器
• 5.1 引言
• 5.2 拉曼与EDF混合增益的双波长可转换光纤激光器
• 5.2.1 实验结构
• 5.2.2 实验结果和分析
• 5.2.3 双波长转换的特性
• 5.3 可调的双波长可转换掺饵光纤激光器
• 5.3.1 实验结构
• 5.3.2 实验结果和分析
• 5.3.3 双波长转换的特性
• 5.3.4 测量转换时间
• 6 总结和展望
• 6.1 本论文工作内容的总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历