可调谐光纤法布里—珀罗滤波器的理论与实验研究

论文摘要

可调谐滤波器是实现动态DWDM网络的关键器件之一,它不仅可以为接收机提供所要求的波长以建立完整的通信链路,而且可以与其他元件组合成智能、高效和稳定的功能模块,对提高动态DWDM网络的灵活性、改善网络性能和降低网络成本都具有重要意义。可调谐光纤法布里-珀罗（FFP）滤波器因具有带宽窄、调谐范围大和调谐速度快等优良特性而受到广泛地关注和研究。本论文围绕可调谐FFP滤波器的传输特性、调谐特性及波长跟踪锁定应用等方面展开了深入地研究,具体研究内容如下：（1）根据FP干涉仪中多光束干涉的基础理论,分析了插入损耗与峰值透射率和精细度的关系。并模拟分析了可调谐FFP滤波器的峰值透射率、线性直流电压驱动FP干涉仪的输出特性和交流正弦电压驱动洛仑兹谱线型滤波器的输出特性,为研究可调谐FFP滤波器奠定了理论基础。（2）理论研究了可调谐FFP滤波器的插入损耗。在无限镜面尺寸和有限镜面尺寸两种情况下,对空气隙腔型可调谐FFP滤波器中开腔的衍射损耗、镀膜镜面与单模光纤的模场耦合损耗进行了分析,结合开腔与单模光纤的模式失配损耗,完善了任意镜面尺寸时可调谐FFP滤波器的插入损耗分析理论。（3）提出了一种可调谐FFP滤波器的优化设计方案。在研究空气隙腔型可调谐FFP滤波器的峰值透射率与镜面尺寸对应关系的基础上,利用双向光束传输法模拟计算了不同条件下可调谐FFP滤波器的反射和透射谱特性,研究结果表明当镀膜镜面半径为光纤芯层半径的2～3倍时,插入损耗最小。因此提出了一种减小可调谐FFP滤波器插入损耗的结构设计方案。此外,还分析了波导空气隙腔混合型可调谐FFP滤波器中有限镜面尺寸对插入损耗和设计工艺的影响。（4）实验研究了可调谐FFP滤波器的静态调谐特性。在分析双峰测量、单峰测量、综合测量等三种测量方法的基础上,实验研究了静态调谐时可调谐FFP滤波器的腔长变化与线性驱动电压的关系。另外还探讨了可调谐FFP滤波器对动态相位调制信号的单边带和高次谐波的抑制作用。（5）利用信号处理领域的冲激响应不变法和傅里叶变换研究了可调谐FFP滤波器在调谐时的动态光谱和时域特性。仿真和测试结果表明：采用该方法得到的动态调谐特性不仅能通过可调谐FFP滤波器的光输出信号也能通过电输出信号确定动态响应与交流驱动信号参数的具体关系。（6）实验研究了可调谐FFP滤波器的动态调谐特性。通过在动态时域特性中引入PZT的延迟因子,提出了一种用于精确测量可调谐FFP滤波器相频特性的方法。实际测量了一种可调谐FFP滤波器的频域特性和谐振频率,给出了滤波器的工作频率范围。实验研究了不同幅度的阶跃函数激励下滤波器的阶跃响应,给出了滤波器透射信号不失真时的最大改变电压值。（7）针对波长扫描和自动跟踪锁定应用,研制了可调谐FFP滤波器的控制系统。通过分析开环系统中PZT的延迟时间和功率放大电路的控制时间以及闭环系统中积分滤波器的时间,提出了一种利用锁定时探测信号的理论时间分量与实际时间分量之差,计算波长锁定精度的方法。之后,采用单片机对控制系统进行了数字化改进设计。最后提出了一种基于FPGA和自适应滤波算法的数字控制系统设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 可调谐滤波器概述
• 1.2 可调谐FFP滤波器的发展历史及研究现状
• 1.3 可调谐FFP滤波器的控制技术
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 可调谐FFP滤波器的理论分析
• 2.1 FP干涉仪的基础理论
• 2.2 FFP滤波器的傅里叶变换理论
• 2.3 可调谐FFP滤波器的调谐特性分析
• 2.4 本章小结
• 3 可调谐FFP滤波器及其插入损耗
• 3.1 无限镜面尺寸的FFP滤波器及其插入损耗
• 3.2 有限镜面尺寸的FFP滤波器及其插入损耗
• 3.3 基于双向光束传输法的优化设计
• 3.4 本章小结
• 4 可调谐FFP滤波器的静态调谐特性
• 4.1 静态调谐特性的测量方法
• 4.2 静态调谐特性的测量实验
• 4.3 可调谐FFP滤波器在动态相位信号传输中的应用
• 4.4 本章小结
• 5 可调谐FFP滤波器的动态调谐特性
• 5.1 动态调谐特性的理论研究
• 5.2 动态调谐特性的实验研究
• 5.3 频域响应的实验研究
• 5.4 阶跃响应的实验研究
• 5.5 本章小结
• 6 自动波长跟踪锁定应用研究
• 6.1 波长跟踪锁定的原理及方法
• 6.2 基于模拟电路的控制系统设计
• 6.3 基于单片机控制的控制系统设计
• 6.4 基于FPGA的数字控制系统设计
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士期间取得的研究成果