高速光传输系统全光纤功能器件研究

摘要

随着云计算、流媒体和移动互联网的兴起，信息社会对于通信流量的需求不断增长。作为流量的核心承载者，光传输网络数十年来一直保持高速发展态势。在光传输系统中，物理层的密集波分复用技术、偏振复用技术、以及高级调制码型的出现，使高谱效率的传输成为可能。作为光纤传输系统的核心模块之一，全光纤器件以其低损耗、高兼容性、易于制备的优势，备受科研机构和网络供应商的关注。然而，面对越来越复杂的光传输网络，如何顺应系统发展，设计并制造出具有新结构，实现新功能并满足新一代高速大容量传输系统的全光纤器件，成为了需要面对的挑战。 本论文针对高速光纤通信系统，面向信号处理、性能监测和组播耦合等迫切需求，设计、制作、并测试了多种全光纤结构的功能器件，并在高速光传输系统中完成了功能验证。主要内容和创新点包括： （1）以电弧放电技术为核心，开发了通用的光纤型器件制备平台。通过对特种光纤熔接机应用程序接口的调用，编写软件控制了熔接机的电极放电、电机位移和CCD监测过程，实现了对特种光纤的拉锥、应力释放和周期性处理等二次加工工艺，制备了高性能光纤型马赫曾德尔干涉仪、长周期光纤光栅、手性光栅等光纤功能结构。进一步的，为了实现光谱调谐，研究了温度变化和应力变化全光纤器件的影响，为其在光通信系统中的应用打下了良好的基础。 （2）面对光通信系统中的高速信号处理问题，提出并设计了一种基于线性啁啾布拉格光纤光栅和可编程加热阵列的软件定义热光调谐二阶微分器。利用商用热打印头的可编程加热阵列，开发可编程软硬件平台，实现了灵活可编程的温度场操控。基于线性啁啾布拉格光纤光栅的热光效应，利用温度场在光栅中插入了大小和位置分布可控的相移，在频域上实现了光二阶微分器传输函数。实验结果表明，该微分器具有波长、工作带宽可调谐的特点。与理论相比，实际输出的时频域微分结果的误差较小。此外，我们还针对实际波分复用传输系统提出了多通道的二阶微分器结构，能够对于多波长高速信号进行并行微分处理。 （3）面对高速光通信系统中的性能监测问题，提出了一种全光纤结构可编程控制的带内光信噪比监测技术。基于窄带光域滤波原理，利用线性啁啾布拉格光纤光栅和可编程加热阵列实现的超窄带光滤波器，构建了可调谐带内光信噪比监测组件。通过波分复用相干光传输系统的实验，证明了该监测方法具有较大的光信噪比监测范围，良好的波长可调谐性能，以及对色散和偏振模色散不敏感的优点。 （4）面对未来空分复用光通信系统中的光交换问题，提出并设计了一种基于多芯光纤长周期光栅的芯间信号组播和切换器件。基于长周期光纤光栅的模耦合原理，利用电弧放电应力释放的方法在多芯光纤中刻写了大带宽的长周期光纤光栅，实现了一芯到三芯的C波段芯间信号组播。通过搭建大容量空分复用相干光传输系统，实验演示了最高六波长总容量1.344Tb/s的三芯间信号组播。在此基础上，利用多芯光纤长周期光栅定向弯曲产生的光谱漂移和衰落，实现了可重构的芯间信号切换器件，光功率切换消光比高达39dB。与光背靠背结果相比，芯间信号切换并未影响信号传输性能。 基于以上研究内容，多种新型全光纤功能器件有望在大容量超高速光通信系统中得到广泛的应用。

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