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《上海师范大学》 2015年
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基于光纤光栅Sagnac环微波光子滤波器的研究

王露  
【摘要】:随着光通信及光纤传感技术的迅速发展,特别是波分复用(WDM)和密集波分复用(DWDM)系统的广泛应用,梳状光纤滤波器研究一直是光纤通信乃至光电子领域的一个研究热点。光纤Sagnac环本身有滤波特性,具有结构简单、成本低、稳定性好、调谐范围大等优点。光纤光栅具有可灵活设计的反射光谱带宽、附加损耗小、体积小以及与光纤兼容技术成熟、成本低等特性,被广泛应用于光纤通信和光纤传感的各种滤波或选频等器件中。由光纤光栅和Sagnac环可以构成梳状滤波器,实现各种不同的滤波特性。本文着重提出并研究了一种新型的基于取样光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器和一种新型的基于相移光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器的设计、建模、仿真、优化等,详细讨论了各器件参数对该滤波器的光谱特性的影响。本文主要创新点和研究内容如下:(1)研究了微波光子滤波器的发展,对一般的光纤Sagnac环滤波器进行了理论和数值研究。利用传输矩阵法研究了光纤Sagnac环以及基于均匀光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器的传输特性,并进行MATLAB数值仿真和分析。(2)首先利用Jones矩阵法,对取样光纤光栅的反射光谱进行详细的理论研究和数值仿真,在此基础上,提出一种新型的基于取样光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器的设计,建立了理论分析模型,并进行详细的理论推导,利用MATLAB软件进行了相关的数值模拟,着重研究了基于取样光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器的透射光谱特性,以及各种关键器件参数(光纤环臂差、取样周期、折射率调制深度和占空比等)对所设计滤波器的输出光谱的影响。在大量数值模拟的基础上,优化取样光纤光栅的长度L、光纤环臂差DL和取样周期P等关键参数的数值,设计了六种不同的滤波器,它们具有分立谱线、高反射率、等间隔的不同通道数目窄带梳状透射谱,且具有良好的波长选择性和信道隔离度。可以实现16通道的100GHz的DWDM系统和8通道的200GHz的DWDM系统的窄带滤波;可以制成双波长的光纤激光器,用于太赫兹波的产生;能得到单峰的窄带透射谱,可应用于分布式传感系统中。(3)提出了另一种新型的基于相移光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器的设计,建立了理论分析模型,利用Jones矩阵法进行理论推导,在MATLAB软件平台上进行数值仿真,着重研究了该滤波器的输出光谱特性,详细分析了一些重要参数如光纤环臂差、相移量的大小、相移的位置和相移的数目等对透射光谱的影响。可以得到关于中心波长Bl近似对称、通道数目和阻带带宽可调节的双峰带通梳状滤波器。
【关键词】:微波光子滤波器 光纤光栅 Sagnac环 Jones矩阵法
【学位授予单位】:上海师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN253;TN713
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-10
  • 主要符号表10-11
  • 第一章 绪论11-19
  • 1.1 课题来源11
  • 1.2 课题研究的意义和目的11-13
  • 1.3 研究背景13-17
  • 1.3.1 光学滤波器的研究现状13-15
  • 1.3.2 光纤Sagnac环微波光子滤波器的研究现状15-17
  • 1.4 本文的主要内容17-18
  • 1.5 本文的主要贡献及创新点18-19
  • 第二章 基于均匀光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器研究19-31
  • 2.1 概述19
  • 2.2 均匀光纤光栅的特性分析19-23
  • 2.2.1 传输矩阵法19-21
  • 2.2.2 均匀光纤Bragg光栅的矩阵理论分析21-22
  • 2.2.3 光纤Bragg光栅的参数分析22-23
  • 2.3 光纤Sagnac环的传输特性理论分析和仿真23-27
  • 2.3.1 光纤耦合器的Jones矩阵24
  • 2.3.2 SMF的Jones矩阵24-25
  • 2.3.3 光纤Sagnac环滤波器的工作原理25-27
  • 2.3.4 光纤Sagnac环滤波器的数值仿真27
  • 2.4 基于均匀光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器的研究27-30
  • 2.4.1 理论分析27-28
  • 2.4.2 透射谱特性的研究28-30
  • 2.5 本章小结30-31
  • 第三章 基于取样光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器研究31-51
  • 3.1 取样光纤光栅的理论31-33
  • 3.2 取样光纤光栅的光谱特性的仿真研究33-38
  • 3.2.1 占空比T对反射谱的影响33-34
  • 3.2.2 折射率调制深度 Dn对反射谱的影响34-35
  • 3.2.3 光栅长度L对反射谱的影响35-36
  • 3.2.4 周期P对取样光纤光栅反射谱的影响36-38
  • 3.3 基于取样光纤光栅的Sagnac环的微波光子滤波器的研究38-42
  • 3.4 基于取样光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器的传输特性研究42-50
  • 3.4.1 耦合比K对输出光谱的影响42-43
  • 3.4.2 占空比T对输出光谱的影响43-44
  • 3.4.3 光栅的长度L对输出光谱的影响44-45
  • 3.4.4 取样周期P对输出光谱的影响45-47
  • 3.4.5 光纤环臂差 DL对输出光谱的影响47-49
  • 3.4.6 折射率调制深度 Dn对输出光谱的影响49-50
  • 3.5 本章小结50-51
  • 第四章 基于相移光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器研究51-63
  • 4.1 相移光纤光栅的理论51-55
  • 4.1.1 传输矩阵法的分析模型51-53
  • 4.1.2 相移光纤光栅的光谱特性53-55
  • 4.2 基于相移光纤光栅的Sagnac环的微波光子滤波器的研究55-56
  • 4.3 基于相移光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器的传输特性研究56-61
  • 4.3.1 光纤Sagnc环臂差 DL对输出光谱的影响56-59
  • 4.3.2 相移量 j 的大小对输出光谱的影响59
  • 4.3.3 相移量 j 的位置对输出光谱的影响59-60
  • 4.3.4 相移量 j 的数目对输出光谱的影响60-61
  • 4.4 本章小结61-63
  • 第五章 总结和展望63-65
  • 5.1 总结63-64
  • 5.2 展望64-65
  • 参考文献65-68
  • 攻读学位期间取得的研究成果68-69
  • 攻读学位期间所参与的项目69-70
  • 致谢70

【参考文献】
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