智能光纤光电子关键技术研究

【摘要】：近年来高速发展的光纤光电子技术已成为21世纪重要的高新技术,受到了世界范围内的广泛重视。多种功能的光纤光电子器件和光子系统已经在科学研究和国民经济的各个领域发挥着重要作用,尤其是在高速信息网、传感网和新型光源等领域取得了重大成就。在光纤光电子领域,提高器件性能,发展新技术,以及实现光纤光电子系统智能化是适应现代光学工程发展必然的趋势。光纤滤波技术、光纤激光技术以及波长检测技术在光纤光电子领域具有重要意义,本文对这几类关键技术开展了深入的理论和实验研究,并在这几类技术的基础上设计完成了智能可调谐环形腔掺铒光纤激光器(Erbium-doped Fiber Ring Laser, EDFRL)系统,本文的主要研究内容和创新如下： 第一,利用耦合模理论对光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的反射谱特性进行了理论探讨和仿真分析,得到FBG反射谱线宽与栅区长度以及“交流”耦合系数的关系。理论分析FBG在轴向应力下发生反射波长偏移的特性后,设计了一种应力可调谐FBG滤波器的封装结构,经实验测试其可调谐范围16nm。提出了一种具有非对称反射谱特性的非线性啁啾FBG (Nonlinear Chirped FBG),建立这种FBG的里卡提方程(Riccati Equation)模型,利用四阶Runge-Kutta法对其反射谱特性进行了数值分析,并给出了非线性啁啾FBG的相位调制函数与变迹函数的具体形式,定义了光谱包络线斜率参数(Spectrum Envelope Slope)用于描述其非对称特性的程度,在这种光纤光栅非对称反射谱特性基础上提出了一种全新的窄带透射式可调谐光纤光栅滤波技术,探讨了这种新型滤波技术的滤波特点。 第二,在理论分析EDFRL的输出功率、斜率效率(Slope Efficiency)、阈值功率、激光线宽等输出特性基础上,提出了一种具有高稳定输出、窄线宽、高调谐分辨率的单纵模输出可调谐EDFRL系统。该EDFRL采用环形腔设计以抑制空间烧孔(Spatial Hole Burning, SHB)效应,采用高掺杂掺铒光纤(Erbium-doped Fiber, EDF)为增益介质,获得了单纵模输出激光的3dB线宽仅为12pm,斜率效率为17.95%,在使用低掺杂EDF时分别为17pmm和14.68%。使用可调谐FBG滤波器为选频元件,应用256细分的42步进电机作为滤波器的精细调谐机构,获得了激光器的平均调谐分辨率达到1.41pm/pulse,实现输出符合ITU(International Telecommunications Union)标准波长间隔为50GHz的密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)系统适用波长。 第三,从理论和实验两方面分析了具有短半波振荡周期的光纤熔锥型波分复用器(Wavelength Division Multiplexing, WDM)的分光耦合比特性,根据实验结果得出WDM对比度参数R(λ)(WDM两臂输出耦合比之差)与波长变化的拟合函数关系,在此基础上应用光纤隔离器(Isolator, ISO).1525/1575nm为复用波长的WDM和两个InGaAs光探测器等,同可调谐EDFRL的控制系统相结合,设计完成了针对单纵模窄线宽输出EDFRL系统的波长检测器。通过串口建立计算机与波长检测器的通信,设计上位机软件实现波长检测器的波长数据接收。在实验完成对波长检测器的波长定标后,波长检测器对EDFRL单纵模激光的理论波长分辨率为1.72pm-5.28pm,在波长1554.452nm处实测单次检测精度为±95pm。 第四,提出在EDFRL环形腔内提取部分光信号,以基于WDM的波长检测器为检测元件,建立反馈信号回路,设计了可调谐EDFRL的闭环控制系统。提出以对比度参数R(λ)为标准对波长设定值与波长输出值进行比较,根据二者差值对系统输出波长进行补偿的控制算法。以MSP430芯片(Texas Instruments)为主控,以前后台模式为软件控制系统架构,实现了可调谐EDFRL的开环控制与闭环控制相结合的智能控制系统。最后,完成了具备智能调谐输出、波长跟踪、波长微调、零点校准等多种功能的智能可调谐EDFRL系统的原型机。