基于光纤Bragg光栅非线性的全光开关和可调滤波器研究

论文摘要

光纤光栅具有体积小、波长选择性好、带宽范围大、附加损耗小、易于与光纤系统连接等优点,是全光器件的一个重要组成部分。目前光栅的应用领域主要在线性工作区域,对光栅非线性的研究也大多考虑远离禁带时的情况。在这种情况下,入射光功率较小,非线性系数较低,光栅很短,非线性效应可以忽略,但在增大光纤光栅的非线性系数和增大输入的光功率的情况下,却能实现光纤光栅的光谱特性随着输入光功率的变化,从而实现光开关、光逻辑门和可调谐滤波器等全光信号处理器件。光纤的非线性响应在时间fs量级,可以满足高速信息处理的要求。因此利用光纤光栅非线性效应、通过光控光方式来实现超高速全光信息处理成为一个重要的研究课题。本文主要针对光纤光栅的非线性特性及其在全光信息信号处理方面的应用进行研究。1.目前研究光纤光栅中非线性效应光子传输主要采用耦合模理论,本文首先推导了光纤光栅单路和双路光输入时的非线性耦合模方程,该方程可以研究光纤布拉格光栅的传输特性。由于边界条件的特殊性、纤芯折射率的非线性调制及前后向波的自相位调制和交叉相位调制的非线性耦合,几乎不可能分析求解耦合模方程组,大多只能采用数值仿真实验的方法进行研究。本文研究了基于微扰近似、慢变包络近似和相位匹配的反射型光纤光栅耦合模方程组的数值求解技术,根据边界条件和光波在光栅中传输的物理过程,建立了光纤Bragg光栅的计算模型,该模型可以对光栅的线性特性和非线性特性及内部电场进行仿真,能够处理连续波输入时的静态特性和时变信号输入时的动态特性。通过仿真计算,得出了和文献结果相符的光栅光谱和功率谱。2.采用上述方法,系统地研究了常见切趾调制下的光栅光纤光栅的非线性光谱及功率谱特性。仿真结果表明,随输入功率的增大,光栅光谱反射(或透射)峰向长波方向移动,相移光栅的峰值移动更明显,表明在相移光栅内非线性作用更强;脉冲经过光栅后会得到不同程度的压缩,压缩程度与输入功率、光栅长度、非线性系数、调制形式等有关;根据不同切趾光纤光栅的光谱特性,给出了光栅参数的优化的原则,为非线性光开关的设计提供了理论依据。3.基于上述结果,优化了基于非线性效应的全光开关。结果表明,如果工作点选择合适,可以得到波形变化比较小,开关比较大,反应速度比较快的全光开关。4.分析了非线性特性对光纤布拉格光栅禁带的影响。仿真结果表明,随着输入信号功率的增大,光栅光谱反射峰值下降,带宽变窄。提出了一种基于光栅非线性的全光可调谐滤波方案,并对不同光栅参数下输出波形进行了比较,仿真结果表明脉冲形状保持良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 全光信息处理
• 1.1.1 全光信息处理中的关键技术及发展状况
• 1.2 光纤光栅及其非线性效应
• 1.2.1 光纤光栅的常见分类
• 1.2.2 光纤光栅在光通信领域的发展和应用概况
• 1.2.3 光纤光栅的非线性效应研究情况
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 光纤Bragg 光栅模型的建立
• 2.1 非线性耦合模方程的建立
• 2.1.1 非线性脉冲传输
• 2.1.2 耦合模方程
• 2.1.3 双路信号输入的耦合模方程
• 2.2 数值仿真模型的建立
• 2.2.1 常见数值方法
• 2.2.2 本文使用的仿真模型
• 2.2.3 边界处理
• 2.3 光纤光栅光谱分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于光纤光栅非线性的全光开关
• 3.1 工作原理
• 3.2 光纤Bragg 光栅在非线性影响下的静态特性分析
• 3.2.1 光谱特性比较
• 3.2.2 光纤Bragg 光栅功率谱特性分析
• 3.2.3 相移对光纤Bragg 光栅功率谱特性的影响
• 3.2.4 功率对透射输出的影响
• 3.3 基于光纤光栅非线性效应的全光自开关特性分析
• 3.3.1 开关稳定时间
• 3.3.2 开关动态特性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 Bragg 全光可调谐滤波器
• 4.1 可调谐滤波技术的发展状况
• 4.2 光纤光栅调谐
• 4.2.1 光纤光栅调谐滤波的基本结构
• 4.2.2 光纤Bragg 光栅禁带偏移特性的研究
• 4.3 基于Bragg 光栅非线性效应的可调谐滤波仿真分析结果
• 4.3.1 控制信号远离光栅设计波长
• 4.3.2 控制信号在光栅设计波长附近
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的研究成果