基于布里渊散射的可调光纤延迟线研究

摘要

可调光纤延迟线不仅是未来全光网络中的关键器件，而且在光信号处理和微波光子学等领域有着极其重要的用途。基于布里渊散射效应实现可调光纤延迟线是近年来发展起来的一门新兴的可调光延迟技术，它具有泵浦光功率阈值低、工作波长可调谐、室温下工作以及与光纤通信系统兼容性好等优点，已经成为了可调光延迟技术中的研究热点。本论文以布里渊慢光和基于声波存储的光缓存为研究对象，围绕减小信号失真和提高延迟-带宽积等丞待解决的问题开展了大量研究工作，论文的主要内容可概括如下：
　　 1．介绍和对比了现有的各种可调光纤延迟线技术；总结和分析了布里渊幔光可调光纤延迟线的研究现状和应用前景；
　　 2．给出了光纤中布里渊散射的物理图像和数学描述；考虑光纤中光波和声波横向分布的差异性，完善了受激布里渊散射的光波-声波耦合方程组；以单色光泵浦的布里渊慢光为例，论述了布里渊慢光的本质，并对布里渊慢光在小信号增益以及增益饱和情况下的延迟特性进行了讨论，指出了在增益饱和区，增益谱烧孔引入的反常色散对布里渊增益引入的正常色散的补偿甚至过补偿是导致延迟量饱和、减小甚至出现脉冲超前的根本原因；
　　 3．研究了基于双谱线结构泵浦光的受激布里渊散射特性；进而分析了宽带光泵浦的受激布里渊散射特性，得出了频域内斯托克斯光复振幅包络的传输方程；对高斯谱宽带光泵浦的布里渊慢光延迟特性进行了讨论，结果表明：二阶增益不均衡是引起信号失真的主要物理因素，它制约了延迟-带宽积的提高；
　　 4．提出利用具有平坦增益谱的宽带布里渊慢光来减小二阶增益不均衡引起的信号失真；建立数学模型得出了频域内斯托克斯光复振幅包络的传输关系，并推导出了延迟量、增益、脉冲展宽因子以及高斯型脉冲在延迟后的振幅包络解析表达式；对单级和级联系统的延迟特性进行了理论分析，结果表明：具有平坦增益谱的宽带布里渊慢光大大减小了二阶增益不均衡引起的信号失真，延迟-带宽积的进一步提高受限于正的三阶色散引起的信号失真；根据理论推导结果分析了一个单级布里渊慢光系统的延迟特性，并将理论计算结果与实验数据进行了对比，验证了理论分析的正确性；基于该理论模型，数值仿真了RZ-OOK、NRZ-OOK以及RZ-DPSK数据流经过具有平坦增益谱的宽带布里渊慢光系统后的延迟效果，并与高斯谱宽带光泵浦的布里渊慢光延迟效果进行了对比，结果表明：前者在减小信号失真方面具有明显优势；
　　 5．对基于双吸收峰的透明宽带布里渊慢光进行了详细理论分析，得出了延迟量、增益、脉冲展宽因子以及高斯型脉冲在延迟后的振幅包络解析表达式，可以为透明宽带布里渊慢光的设计提供指导和参考；研究了透明宽带布里渊慢光的限制因素，结果表明：它不存在增益饱和问题，但是布里渊阈值限制了延迟量的提高，同时，两个吸收峰对应的强烈反常色散区限制了信号光的带宽，并且会导致延迟量的减小以及信号的严重畸变；
　　 6．介绍了基于声波存储的光缓存原理，建立了数学模型；详细讨论了最大缓存时间、带宽、“读”“写”效率、输出信噪比等系统性能与存储光纤和控制脉冲参数之间的关系，提出利用单模As2Se3光纤和啁啾控制光脉冲提高基于声波存储的光缓存性能，并仿真了单个信号脉冲的光缓存性能；分析了系统的存储能力，并仿真了速率为2.5Gb/s的NRZ-OOK和RZ-DPSK数据流基于声波存储的光缓存效果，当控制光脉冲能量约为0.34μJ、延迟量小于15ns时，输出信噪比和读出效率分别大于15dB和30％。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 可调光纤延迟线的分类及特点

1.3 国内外布里渊慢光可调光纤延迟线的研究现状

1.4 本论文的主要研究内容和章节安排

第二章 光纤中布里渊慢光理论基础

2.1 引言

2.2 光纤中布里渊散射的物理图像和数学描述

2.2.1 声波对光波的散射作用

2.2.2 光纤中的布里渊散射

2.2.3 光波-声波耦合方程组

2.3 窄带光泵浦的布里渊慢光

2.3.1 慢光效应和延迟量

2.3.2 斯托克斯光信号的失真

2.3.3 增益饱和

2.4 本章小结

第三章 宽带布里渊慢光理论分析

3.1 引言

3.2 基于双谱线结构泵浦光的SBS特性

3.3 宽带光泵浦的SBS

3.4 高斯谱宽带光泵浦的布里渊慢光

3.5 本章小结

第四章 具有平坦增益谱的宽带布里渊慢光

4.1 引言

4.2 矩形谱宽带光泵浦的布里渊慢光

4.3 色散所致信号失真

4.3.1 二阶增益不均衡的影响

4.3.2 三阶色散的影响

4.3.3 不同码型数据流的延迟

4.4 实验对比与分析

4.5 本章小结

第五章 透明宽带布里渊慢光

5.1 引言

5.2 基于双吸收峰的透明宽带布里渊慢光

5.3 延迟特性分析

5.3.1 延迟量

5.3.2 插入损耗

5.3.3 二阶等效色散引起的脉冲展宽

5.3.4 高阶等效色散引起的信号失真

5.4 本章小结

第六章 基于声波存储的光缓存

6.1 引言

6.2 基于声波存储的光缓存理论基础

6.2.1 工作原理和理论模型

6.2.2 性能参数

6.3 单个脉冲缓存的仿真结果及讨论

6.3.1 读出效率和输出信噪比

6.3.2 信号失真

6.4 不同码型数据流缓存的仿真结果及讨论

6.4.1 存储能力和存储密度

6.4.2 NRZ-OOK数据流的缓存效果

6.4.3 RZ-DPSK数据流的缓存效果

6.5 本章小结

第七章 全文总结

7.1 论文的主要内容

7.2 论文的主要创新点

7.3 需要进一步研究的问题

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间取得的研究成果