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微纳光纤器件及其在全光信号处理中的应用

张羽  
【摘要】:微纳光纤是纳米光子学中的一个重要研究领域,它以其卓越的性能成为未来光器件微型化集成化的一种可供选择的基本单元。微纳光纤作为光波导具有以下独特的优点:具有极低的光纤到器件再到光纤的耦合损耗,粗糙度极低的波导表面,高折射率差的强限制光场,大百分比的倏逝场,极轻的质量及灵活的色散特性。所以对微纳光纤特性、微纳光纤光子器件及微纳光纤应用的研究正吸引越来越多研究者的注意。 本论文针对微纳光纤还从未涉足的领域:光信号处理展开研究;除了提出并实验实现了一些基于微纳光纤的新型光子器件,还对微纳光纤在全光码型转换和微波光子学中的应用进行了深入研究,概括全文的研究成果和贡献,有如下几个方面: (1)建立了微纳光纤的物理模型,推导了微纳光纤的单模传输条件,分析了微纳光纤基模的电场分布和能量分布的特点,以及群速度和波导色散,采用FDTD法研究了微纳光纤相互之间的的模场耦合特性。 (2)搭建了微纳光纤的拉制平台和基于微纳光纤的光子器件的装配测试平台,成功制作出了可满足实验需求的各种直径和长度的微纳光纤,并装配测试了多种微纳光纤光子器件,为后续的应用实验研究工作打下了坚实的基础。 (3)提出了反射型微纳光纤环谐振器(RMRR)的概念,推导了该器件的反射传递函数,实验组装了RMRR,获得了一系列不同FSR的梳状反射谱。提出了微纳光纤布拉格光栅(MFBG)的概念,理论推导了多模传输的MFBG除了具有正向基模与反向基模耦合产生的反射峰,还有正向高阶模式与反向基模耦合所产生的反射峰;利用包层部分掺锗的特殊光纤拉制出微纳光纤,并通过相位掩模板在KrF准分子激光器的紫外曝光下,成功制作出不同直径的MFBG;并用其进行了折射率传感的实验,获得了较高的传感灵敏度。 (4)提出了基于微纳光纤环谐振器(MRR)的RZ到NRZ的全光码型转换方案,理论模拟了利用MRR进行RZ到NRZ码型转换的原理,分析了MRR的失谐量、消光比及精细度对转换的NRZ信号的质量的影响;基于MRR的可调谐性实验实现了20Gb/s和40Gb/s等不同速率下的的RZ到NRZ码型转换;并且实验验证了多信道RZ码到NRZ码的码型转换的可行性。 (5)提出了基于MRR的微波光子学滤波器实现方案,首先利用MRR构建了单纵模双波长激光器,然后利用色散介质引入延时差,实现了大FSR的微波光子学滤波器;理论分析了MRR特性参数对微波光子学滤波器滤波特性的影响,实验结果表明通过调节微纳光纤环的直径可以方便实现微波光子学滤波器的可调谐性。 (6)提出了基于微纳光纤的毫米波超宽带信号的产生方案,理论推导了利用该方案产生正负monocycle和正负doublet的毫米波超宽带信号的原理,实验实现了24GHz的毫米波超宽带信号,通过调谐微纳光纤环谐振器的透射谱,可以获得正monocycle的和负monocycle自由切换的毫米波超宽带信号,所获得24GHz的毫米波超宽带信号的频谱完全符合FCC的要求。


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