微波光子技术及光纤布拉格光栅在微波及传感系统中的应用

【摘要】微波光子学是一门交叉学科,当前的研究热点主要集中在基于微波光子技术的微波信号产生、处理和传输等方面,微波光子技术在无线通信、雷达、宽带相控阵波束成形、以及传感等系统中有着重要的应用。微波光子系统具有频率高、带宽大、重量轻、抗电磁干扰等诸多优点,因而引起了学界和工业界的广泛关注和研究。光纤布拉格光栅(FBG)在微波光子系统中有着诸多重要应用。本文对微波光子技术及FBG在微波及传感系统中的应用进行了研究。在本文中我们提出了一些基于微波光子技术和FBG的微波信号产生、滤波和光纤传感系统以及长FBG的制作方法。本文中主要工作的实施方法是微波光子技术,关键器件是FBG。本文的主要工作如下：1.我们首次提出了一种频率和相位都同时可调的光电振荡器(OEO)。偏振调制器(PolM)和相移光纤布拉格光栅(PS-FBG)的结合产生了单边带(SSB)偏振调制信号。SSB偏振调制信号被分为两路,一路被送入光电探测器(PD)将光信号转换为电信号后反馈到PolM,另外一路被送入电可调检偏器(ETP),然后被送入第二个PD。OEO的频率调节是通过改变光载波的波长实现,相位调节是通过改变ETP的主轴实现。2.基于光梳发生器(OCG)和内置的可调单通带微波光子滤波器(MPF),我们提出了一套具有大的并且可调倍频因子(MF)的微波倍频系统。OCG主要由两个调制器构成,它们被参考信号驱动。MPF由分切的宽带光源(SBOS)和色散补偿光纤(DCF)构成。一方面,OCG中产生的光信号在PD中拍频,可以产生基频和很多个谐波；另一方面,当单通带MPF的通带被调到与某个谐波的频率一致时,这样一个谐波就被滤出来,而基频和其它谐波都被抑制了。3.基于两个PolM我们提出了一套新的、简单的产生具有超宽频率可调范围的相位编码微波信号的方案,并且通过实验进行了验证。第一个PolM(PolMl)是用来控制线偏振光的偏振方向与第二个PolM(PolM2)主轴的角度为45°还是135°。PolM2与偏振控制器(PC)和起偏器的结合可以等效为一个马赫-曾德尔调制器(MZM)。本方案的关键是对等效MZM的巧妙运用,它主要的特点是当入射激光的偏振方向处于45°和135°时,这个等效的MZM工作在传输函数的相反位置。这样,通过将编码信号作用在PolM1上,并且编码信号幅度为PolM的半波电压Vπ,来控制激光的偏振方向,这样具有π相移的相位编码微波信号就产生了。由于本方案中没有使用任何的光或者电的滤波器,所以它具有超宽的频率可调范围。4.基于一根超结构光纤布拉格光栅(SFBG)和相位调制器(PM)我们提出了一种获得窄带的平顶可调MPF的方法,并且通过实验进行了验证。本方案的关键是基于等效相移(EPS)技术对SFBG的设计和制作。我们在SFBG中插入了两个EPS,这两个EPS的共同作用使得SFBG反射谱中间的缺口是平底的。将这个SFBG应用到MPF系统中进行相位调制到强度调制转换时,这个平底缺口就映射到MPF的通带,形成了一个平顶的MPF。5.基于相位调制到强度调制转换和等效相移光纤布拉格光栅(EPS-FBG),我们提出了一套具有两个独立可调通带的MPF。此系统中最关键的器件是EPS-FBG,它是通过EPS技术制作的。EPS-FBG的独特之处在于,在它的±1级两个通道中都有相移,这样在±1级中就都有了缺口。再将这两个缺口应用到MPF系统中进行相位调制到强度转换,就产生具有两个通带的MPF。每个通带的中心频率由此通道中的载波与缺口的波长差决定。为了降低形状因子,提高滤波器的性能,我们在EPS-FBG中插入了两个EPS。在这套系统中还引入了一个基于受激布里渊散射(SBS)的滤波器,用它来抑制载波,从而提高系统的无杂散动态范围(SFDR)和噪声系数(NF)。6.我们提出了一套基于多纵模光纤激光器的振动传感系统。多纵模光纤激光器中存在很多个纵模。任意两个纵模之间拍频可以产生纵模拍频(LMBF)信号。当有振动信号加载在激光腔上时,LMBF被振动信号调制后变为调频信号,这样就可以利用调频解调器对这个信号进行解调,恢复出振动信号。7.我们提出了一套基于多纵模光纤激光器同时测量应力和温度的传感系统。主要是利用LMBF以及掺铒光纤(EDF)的特性,LMBF对于应力和温度都敏感,而激光器的输出功率只对于温度敏感。这样通过同时测量LMBF和输出功率就可以得到加载在激光腔上的应力和温度。8.我们提出了一套基于多模光纤激光器的同时测量应力和温度的传感系统。这套系统利用了基于微波光子技术的拍频解调。在多模激光拍频的频谱中同时存在LMBF和偏振模拍频(PMBF),并且它们对应力和温度有着不同的响应。因此,通过同时检测LMBF和PMBF可以实现应力和温度的同时测量。9.我们提出了一套基于多模光纤激光器和拍频解调技术的同时测量应力和压力的方案法,这套方案是基于同时测量LMBF和PMBF。一方面,LMBF对应力为线性响应,但是对压力不敏感；另一方面,PMBF对应力和压力都有着线性响应。这样同时测量LMBF和PMBF就可以实现对应力和压力的同时检测。10.我们提出了一套基于环形光纤激光传感器和拍频解调技术的传感系统。因为本系统中没有使用任何模式选择器件,所以可以产生很高频率的LMBF,从而提高了系统的灵敏度和测量精度。11.我们提出了一种基于重构等效啁啾技术(REC)技术利用两个相位模版制作具有所需特性的长FBG的方法。由两个相位模版的相位失配导致的初始相移(OPS)可以被EPS补偿,FBG的长度突破了相位模版长度的限制。在验证性实验中获得的OPS为0.85π,并且它在整个实验过程中保持不变。±1级通道中的相移都分别可以通过EPS进行补偿。作为一个例子,我们利用两个50mm的模版,刻写出了一根长度为90mm的具有π相移的FBG。
【作者】高亮；
【导师】陈向飞；
【作者基本信息】南京大学，材料物理与化学，2014，博士
【关键词】微波光子技术；光纤布拉格光栅；微波信号产生；微波光子滤波器；光纤传感；多模光纤激光器；拍频；重构等效啁啾技术；

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