【摘要】：光學(xué)濾波作為一種十分重要的光信號處理手段,被廣泛地應(yīng)用于光通信和微波光子學(xué)中,實現(xiàn)對光學(xué)信號或者對調(diào)制到光域的微波信號進(jìn)行帶通帶阻濾波、時域頻域變換等。隨著光通信領(lǐng)域和微波光子學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展,對光學(xué)濾波的精度也提出了越來越高的要求。高分辨率的光學(xué)濾波將是推動實現(xiàn)全光靈活組網(wǎng),促進(jìn)微波光子學(xué)發(fā)展,催生新的前沿交叉學(xué)科的重要功能器件。更高分辨率的重構(gòu)性,更大范圍的中心波長調(diào)諧,更高的濾波抑制比等都是光學(xué)濾波的發(fā)展趨勢。然而相較于一般的微波信號,光波有著超高的頻率,這使得對光波的精細(xì)化處理變得較為困難。目前帶寬在GHz量級的光學(xué)濾波器還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法實現(xiàn)高精度的控制,這也阻礙了精細(xì)化光信號處理的進(jìn)一步發(fā)展。受激布里淵散射效應(yīng)是光纖中十分常見的光學(xué)非線性效應(yīng)。其僅10到30 MHz的線寬提供了非常高的頻率選擇性,是進(jìn)行高分辨率光信號處理的理想選擇之一。本文利用這一效應(yīng)實現(xiàn)了超高分辨率軟件定義的高質(zhì)量光學(xué)濾波器,并在濾波響應(yīng)重構(gòu)靈活度、中心波長調(diào)諧范圍、偏振相關(guān)性和濾波抑制比等方面提出了全方位優(yōu)化的方案。本文的主要成果和研究思路為:提出了非線性光信號處理高精度數(shù)字控制新方法,揭示了布里淵泵浦精確可控的機理;實現(xiàn)了超高分辨率的可編程任意形狀光學(xué)濾波器和微波光子學(xué)濾波器,并采取多種措施提升濾波參數(shù)和濾波性能;將其應(yīng)用至光纖骨干網(wǎng)分插復(fù)用節(jié)點和微波光子學(xué)脈沖整形中,獲得了很好的實際效果;推動了該項技術(shù)的小型化和實用化。具體來說,本文內(nèi)容包括:1.提出布里淵增益譜形的數(shù)字化精確控制方法利用受激布里淵散射實現(xiàn)光學(xué)濾波器的概念很早即被提出,但是對布里淵增益譜型的控制精度始終受到限制。本文提出了高分辨率的布里淵泵浦?jǐn)?shù)字化設(shè)計方法,利用可控程度更高的電數(shù)模轉(zhuǎn)換器(任意形狀發(fā)生器)數(shù)字化高精度地產(chǎn)生電波形,再利用IQ調(diào)制器實現(xiàn)單邊帶載波抑制調(diào)制到光上,從而實現(xiàn)對布里淵泵浦高分辨率的完全控制。為了克服系統(tǒng)非線性等非理想因素,本文進(jìn)一步提出循環(huán)反饋校正技術(shù),根據(jù)測量結(jié)果多次對產(chǎn)生的泵浦波形進(jìn)行迭代,從而成功實現(xiàn)對布里淵增益譜的高精度控制。這也是本文區(qū)別于之前工作的重要突破和創(chuàng)新點。2.提出一系列對濾波器的優(yōu)化措施,實現(xiàn)高抑制比偏振無關(guān)矩形光學(xué)濾波器本文針對濾波器的各項參數(shù)進(jìn)行了多項優(yōu)化措施,極大提高了濾波器的實用性。為提高濾波器的抑制比,采取布里淵多級放大結(jié)構(gòu),更高效地利用泵浦光,實現(xiàn)了超過40 dB的濾波抑制比。本文還提出快速單頻掃頻泵浦方案,利用延時正交的雙路結(jié)構(gòu)解決了布里淵濾波器的偏振相關(guān)性問題。最終實現(xiàn)了50 MHz-3 GHz帶寬的高精度可重構(gòu)矩形濾波器。矩形因子可達(dá)1.056,為已報道的所有窄帶矩形光學(xué)濾波器的最佳值。3.對泵浦展寬后的布里淵濾波器噪聲進(jìn)行了仿真和實驗分析相較于一般的無源光濾波器,基于受激布里淵散射的濾波器的原理是放大帶內(nèi)信號而非阻隔帶外信號。在帶來增益的同時布里淵散射也會在放大濾波過程中引入噪聲,劣化信號質(zhì)量。本文對寬帶布里淵放大引入的噪聲情況進(jìn)行了分析,并試圖通過優(yōu)化濾波器的各項參數(shù)配置來實現(xiàn)對其噪聲性能的優(yōu)化。通過實驗精確的測量和仿真的全面補充,本文研究了泵浦展寬方式、泵浦功率以及待放大信號的功率、信號偏振態(tài)、光纖長度等對濾波性能的影響。實驗和仿真結(jié)果為降低濾波器引入的噪聲提供了一些思路,有助于進(jìn)一步提升濾波器的實用性。4.演示了基于高精度矩形濾波器的超精細(xì)柵格可重構(gòu)光分插復(fù)用方案下一代彈性光網(wǎng)絡(luò)需要更精細(xì)的光交換粒度和更高的靈活性,這給光濾波技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。本文利用得到的高品質(zhì)矩形濾波器實現(xiàn)了超精細(xì)柵格的可重構(gòu)光分插復(fù)用結(jié)構(gòu),并演示了對偏振復(fù)用的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信號的上下路功能。采用布里淵矩形帶通濾波和帶阻濾波對保護(hù)間隔僅為300 MHz、單個帶寬2 GHz的正交相移鍵控OFDM子帶進(jìn)行25 dB以上的放大選擇或濾除,證明了本方案可對OFDM信號進(jìn)行高保真度的濾波處理,極好地顯示了本方案的濾波優(yōu)勢。5.實現(xiàn)軟件定義任意形狀高精度微波光子學(xué)濾波方案微波光子學(xué)濾波器對濾波的精度和靈活性提出了更高的要求。本文通過對泵浦波形的特殊設(shè)計和對整個系統(tǒng)的高精度控制,實現(xiàn)了以1 MHz為精度對濾波器中心頻率進(jìn)行高分辨率調(diào)諧和以15 MHz為分辨率對濾波幅度響應(yīng)進(jìn)行任意配置,并演示了截斷高斯型、高斯型、超高斯型、三角形等濾波響應(yīng)。基于對濾波器的超高分辨率控制,本文進(jìn)一步演示了該濾波器在微波光子學(xué)中的典型應(yīng)用。通過對濾波器響應(yīng)的調(diào)節(jié)和切換,實現(xiàn)了對時域脈沖形狀的精確調(diào)控和整形。理論和實驗的高度吻合再一次證明對濾波器極高的控制精度。6.提出低成本直調(diào)泵浦控制方案并推動濾波器實用化和儀器化進(jìn)程為進(jìn)一步提升布里淵濾波器的小型化和儀器化,本文提出基于低成本直接調(diào)制激光器和低速數(shù)模轉(zhuǎn)換器的新方案。通過對直接調(diào)制激光器調(diào)制電流的設(shè)計和反饋調(diào)節(jié),同樣實現(xiàn)了對濾波響應(yīng)的高精度控制。相較于之前的外調(diào)制方案,直調(diào)方案有著與之相似的濾波響應(yīng)控制精度以及噪聲性能,但有效地簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),大大降低了系統(tǒng)成本和體積,是該濾波器邁向?qū)嵱没闹匾徊�。此�?特殊設(shè)計的濾波器圖形化操作界面還為該技術(shù)的儀器化提供了軟件支持。本文提出的基于受激布里淵散射效應(yīng)的超高分辨率光學(xué)濾波器,解決了目前窄帶寬(GHz量級)光學(xué)濾波控制精度較低的問題,首次實現(xiàn)了對濾波響應(yīng)、濾波帶寬和中心頻率同時進(jìn)行MHz量級的高精度控制,力求提供一種性能優(yōu)異、功能多樣、應(yīng)用范圍廣、實用度高的窄帶濾波方案。實際上,該高分辨率濾波器雖然仍舊沿用了濾波器的名稱,但其內(nèi)涵早已超越了傳統(tǒng)意義上實現(xiàn)波長通阻的濾波器,而是提供了一個高分辨率高靈活性的光信息處理的平臺,為光學(xué)信號和微波光子信號的高精度處理展示了新的可能,必將在光通信和微波光子學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮其不可替代的作用。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN713


本文編號：2723550