基于可调谐铌酸锂波导光栅光任意波形产生(OAWG)的研究

摘要

光任意波形产生（OAWG）是在光域中得到用户所定义的光任意波形，克服了电子瓶颈对速度的限制。能够在光学领域生成任意形状的光脉冲可用于许多应用，如可用于超宽带通信、并行信号处理、模式识别和遥感。近几年，真正意义上的光任意波形的产生，即光脉冲形状可动态可调的波形产生装置引起很多学者的重视。 本文利用铌酸锂的电光效应结合传输矩阵法设计了一种简单的波形产生装置--基于铌酸锂长周期波导光栅的二阶微分器。根据铌酸锂的电光效应结合傅里叶合成的频谱整形原理，提出了两种基于铌酸锂可调谐波导光栅阵列的光任意波形产生装置。 本文的主要工作如下： (1) 介绍了可调谐波导光栅和光任意波形产生技术的研究现状。并详细的介绍了铌酸锂的电光特性、铌酸锂波导光栅的两种分析方法和基于傅里叶合成的频谱整形原理。 (2) 设计了基于长周期波导光栅的二阶微分器。利用光栅的传输矩阵法结合MATLAB仿真软件验证了基于长周期波导光栅的二阶微分器的可行性，并分析了各参数对该结构的影响。 (3) 提出了基于双阵列可调谐变迹布拉格波导光栅的光任意波形产生装置。由于铌酸锂晶体的电光效应，两个光栅阵列中每个光栅的谐振波长可通过光栅上的电压来调谐，使之与输入光源相匹配。可通过控制两个变迹布拉格波导光栅阵列中波导上的电压实现对输入光源幅度和相位的调谐。仿真得到了各种波形，如只通过控制波导和光栅上的电压得到矩形、不同周期的高斯光脉冲；由于光栅阵列的可调谐，还可利用电压对输出的幅度、相位和光栅的中心波长进行补偿；最后分析了两个光栅阵列中波导和光栅上的电压的变化引起的输出波形的失真度，得到了在保证输出波形失真很小的情况下，波导和光栅上的电压可容忍变化的范围。 (4) 提出了基于单阵列可调谐变迹布拉格波导光栅的光任意波形产生装置，并利用传输矩阵法研究了此结构的特性。根据铌酸锂晶体的电光效应，幅度由光栅阵列中光栅上的电压进行调节，相位由光栅阵列中波导上的电压进行调节。仿真得到了各种波形，如不同时延的高斯脉冲、三角波形，不等幅的高斯脉冲；通过成比例的改变光栅上的电压阵列实现了对输出波形幅度的线性调谐；此外，电压还可对输出的幅度、相位进行补偿；最后分析了阵列中光栅上电压的变化和波导上电压的变化引起的输出波形的失真度，得到了在保证输出波形失真很小的情况下，波导和光栅上的电压可容忍变化的范围。

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第一章 绪论

1.1 光任意波形产生的概述

1.2 可调谐波导光栅的分类及研究现状

1.2.1 可调谐波导光栅的分类

1.2.2 可调谐波导光栅的研究现状

1.3 光任意波形产生的国内外研究现状

1.3.1 基于时域的直接合成

1.3.2 基于傅里叶合成的频谱整形

1.3.3 基于微分器

1.4 本课题的主要研究内容及各章节安排

第二章 OAWG整形的相关理论

2.1 铌酸锂晶体的电光效应

2.2 铌酸锂波导光栅的理论

2.2.1 耦合模理论

2.2.2 长周期波导光栅的传输矩阵法

2.2.3 布拉格光栅的传输矩阵法

2.3 基于傅里叶合成的频谱整形原理

2.4 本章小结

第三章 基于长周期波导光栅的二阶微分器

3.1 微分器的理论基础

3.2 基于长周期波导光栅的二阶微分器

3.2.1 结构图

3.2.2 基于长周期波导光栅的二阶微分器的原理

3.2.3 仿真分析

第四章 基于双阵列可调谐变迹布拉格波导光栅的OAWG的设计

4.1 结构图与工作原理

4.2 多参量可调的周期光波形的产生及分析

4.2.1 光栅中心波长的调谐

4.2.2 相位的调谐

4.2.3 输出的光脉冲形状的调谐

4.2.4 光脉冲周期的调谐

4.3 本结构的性能分析

4.3.1 光栅上的电压对波长的补偿

4.3.2 波导上的电压对幅度和相位的补偿

4.3.3 光栅上的电压变化引起的误差

4.3.4 波导上的电压变化引起的误差

4.4 本章小结

第五章 基于单阵列可调谐变迹布拉格波导光栅的OAWG的设计

5.1 结构图与工作原理

5.2 仿真结果及分析

5.2.2 输出光脉冲形状的调谐

5.2.3 高斯脉冲的时延的调谐

5.2.4 不同幅度的高斯脉冲

5.2.5 高斯脉冲幅度的线性调谐

5.3 本结构的性能分析

5.3.1 电压对幅度和相位的补偿

5.3.2 光栅上的电压变化引起的误差

5.3.3 波导上的电压变化引起的误差

5.4 本章小结

第六章 工作总结及展望

6.1 工作总结

6.2 前景展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢