光纤布拉格光栅F-P腔全光时间积分器的设计

发布时间：2017-07-31 16:06

  本文关键词：光纤布拉格光栅F-P腔全光时间积分器的设计

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【摘要】：光纤光栅具有体积小、成本低、插入损耗低、性能优异、与光学系统兼容性好等优点,已经在光纤通讯和光纤传感领域得到了越来越广泛的应用。光纤光栅可以应用于光纤激光器、环形激光器和半导体激光器等；可以作为温度传感器、压力传感器、应变传感器以及折射率传感器等；光纤光栅在通讯系统中也有着广泛的应用,可以作为带通滤波器、带阻滤波器、色散补偿器等。 由于全球通信量的不断上升和电子计算机有限的数据处理能力,人们对于全光网络(All Optical Network, AON)和光计算机产生了迫切的需求。而全光时间积分器又是光计算机的重要组成部分。所以对于全光时间积分器的研究就显得尤为重要。 本论文的主要工作是从理论上建立光纤布拉格光栅F-P腔的全光时间积分器的模型,利用耦合模理论和传输矩阵法推导出模型的传输函数表达式,并且利用matlab对推导结果进行各项数值模拟,最后对得到的结果进行分析和讨论,得出一些重要的结论。 FBG-FP采用光纤光栅代替了FP的高反射镜面,FBG-FP是与普通FP一样的具有窄线宽谐振峰的滤波器,只是FBG-FP只在光栅的反射带宽内形成FP腔,所能容纳的模式数更少,选频特性优于普通FP腔。 FBG-FP传输函数表达式为其中是F-P腔的最大透射率,F=4Re/(1-Re)2, Re=Rexp(-2αd)是单个布拉格光栅的有效反射率。 理想FBG-FP的特性曲线：图1理想光纤布拉格光栅F-P腔的传输和相位响应曲线 我们用正弦函数作为输入脉冲,得到如下的传输曲线： 图2输入脉冲为正弦信号的光纤布拉格光栅F-P腔时间积分器 基于光纤光栅的光积分器技术是很有发展前景的,我们将进一步深入研究,反射的均匀光纤布拉格光栅提供一个电场的时间积分,该电场的任意输入信号沿着总光纤长度的固定时间窗口变化。 光纤布拉格光栅的反射谱和相应的脉冲响应用图3来表示,如下： 图3光纤布拉格光栅F-P腔的反射谱和相应的脉冲响应(腔长分别为 图4光栅布拉格光栅F-P腔的透射谱和对应的脉冲响应 布拉格光纤光栅积分器与光纤光栅F-P腔积分器原理是一样的,如果fl(t)是理想积分器的输入信号,那么输出信号可以这样来表示,f2(t)=∫-αt f1(τ)dτ (2) 理想积分器的光谱脉冲响应为h(t)=u(t)(3) u(t)是阶跃响应,利用洛伦兹的近似脉冲响应不能获得这个理想的脉冲响应,写为h1(t)∝exp(-t/τ)u(t)τ是时间常数,光纤布拉格光栅F-P腔滤波器是成指数衰减的脉冲响应,为h1(t)∝exp(-kt)u(t)其中k=(c/2Ln)ln(r2γ),L是腔长,n是腔的反射率,γ是腔增益,r是光栅的反射系数。从方程1、2、3中我们可以推断出,当光纤光栅的反射率高、腔增益补偿反射损失时,光纤布拉格光栅F-P腔就是一个光时间积分器。图5展示的是级块和脉冲响应图,光纤布拉格光栅F-P腔：腔长1mm:PC积分器：反射率0.99,光纤长度3mm,1kQ电阻和电容值1μf。光纤布拉格光栅F-P腔积分器不同于RC积分器,由于带宽和腔的限制,需要更高的频率。 图5FP-FBG积分器和RC积分器级块 积分器的设计功能可以通过应用不同的输入来测试积分器。下面是70ps的高斯单脉冲、两个高斯相位脉冲、两个π相移高斯脉冲作为输入信号。对应不同的输入脉冲得出相应输出脉冲,如图6到图8。输出脉中和理想积分器的输出脉冲吻合。 图6光纤布拉格光栅和光纤布拉格光栅F-P腔积分器的单高斯脉冲响应 图7光纤布拉格光栅和光纤布拉格光栅F-P腔积分器的脉冲响应(间隔π相移的高斯脉冲) 图8光纤布拉格光栅和光纤布拉格光栅F-P腔积分器的脉冲响应(有一定相移的高斯脉冲)
【关键词】：光纤布拉格光栅 F-P腔积分器 脉冲响应 带宽 光存储单元 超快全光积分器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要5-10
• Abstract10-16
• 目录16-17
• 第一章 绪论17-19
• 第二章 基于光存储单元的光子积分器19-24
• 2.1 简介19-20
• 2.2 操作原理和设计典范20-21
• 2.3 试验演示和讨论21-23
• 2.4 总结23-24
• 第三章 超快光子时间积分器24-34
• 3.1 均匀光纤布拉格光栅一阶光子时间积分器操作原理24-27
• 3.2 基于光纤光栅任意阶优化积分器27-32
• 3.2.1 操作原理和光纤光栅的设计27-29
• 3.2.2 数值结果29-32
• 3.3 超快光子积分器应用的探讨32-33
• 3.4 结论33-34
• 第四章 法布里-珀罗腔光子时间积分器的设计34-49
• 4.1 简介34-35
• 4.2 定量模型35-38
• 4.3 理论深入38-40
• 4.4 数值分析40-42
• 4.5 讨论42-48
• 4.5.1 Q 因子对时间集成窗口长度的影响42-43
• 4.5.2 操作带宽43-44
• 4.5.3 F-P 活性积分器 SOA 增益恢复时间的影响44-47
• 4.5.4 噪声对集成结果的影响47
• 4.5.5 实现光积分器的实际问题47-48
• 4.6 结论48-49
• 第五章 光纤 Bragg 光栅 F-P 腔积分器的设计49-63
• 5.1 光纤 Bragg 光栅 F-P 腔的传输矩阵理论49-54
• 5.1.1 光纤 Bragg 光栅 F-P 腔的结构简介49
• 5.1.2 F-P 腔的传输矩阵理论49-54
• 5.2 MATLAB 模拟54-58
• 5.3 光纤布拉格光栅 F-P 腔积分器设计58-63
• 第六章 结论63-69
• 参考文献69-75
• 硕士期间发表的论文75-76
• 致谢76

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本文编号：599960