光纤频率调制光谱技术中残余幅度调制特性的研究

频率调制光谱(FMS)技术不仅可以用来同时测量原子和分子的吸收和色散,还是噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)的关键技术,由于光纤器件的引入或光源输出光的偏振态不稳定等因素会诱发残余幅度调制(RAM),RAM的产生使得FMS技术在痕量气体检测中的应用受到极大的限制,因此研究光纤FMS中RAM的特性具有非常重要的意义。研究首先通过理论分析了无吸收时的FMS信号的线型及RAM的影响因素,实验测量无吸收时输入偏振方向和输出偏振方向及电光调制器(EOM)温度对光纤FMS中RAM的影响,均与RAM存在线型关系,验证了理论分析结果,并为RAM的抑制工作以及基于RAM的其他应用提供了依据。     

频率调制强吸收光谱中残余幅度调制的理论分析

由电光调制器(EOM)中双折射效应及线偏光不完全沿EOM调制方向诱发的残余幅度调制(RAM)使频率调制(FM)光谱技术在微量气体检测中的应用受到极大的限制。基于光场与晶体相互作用及光学干涉原理推导出存在RAM时FM光谱的线型表达式,确定出输入线偏光角度、EOM中双折射效应、FM系数等是影响线型的主要因素,且当入射EOM光的偏振角度偏离调制方向越大,双折射效应引起的特征偏振方向相位差越大,线型扭曲越严重;同时在FM色散光谱中存在一个受两者影响的直流偏置;最后给出通过伺服控制这两过程可以达到抑制RAM的目的。这些现象及线型的分析将为基于光纤器件的FM光谱提供必要的理论支持。     

光子晶体光纤中交叉相位调制光谱展宽特性研究

实验研究了超高速时分复用信号与探测光同向传输,在色散平坦高非线性光子晶体光纤中的交叉相位调制光谱展宽特性,从光谱学的角度分析了信号光波长漂移,泵浦光与信号光总功率及功率比,二者偏振态失配对交叉相位调制光谱展宽效应的影响,探讨了实现偏振不敏感交叉相位调制效应的可行性。研究发现,在36 nm波长范围,总功率大于23 dBm,泵浦光与信号光功率比合理,二者偏振态匹配时交叉相位调制效果最好,交叉相位调制的偏振相关性为11 dB,指出利用色散平坦高非线性光子晶体光纤中的残余双折射,调节泵浦光与光纤双折射主轴成45°,可以实现偏振不敏感交叉相位调制效应,随后的理论模拟和实验结果相一致。研究结果为实现基于交叉相位调制原理工作的超快全光信号处理器件作了充分准备。     

保偏光纤中相近频率传输区域的调制不稳定性

利用激光脉冲在光纤中传播时所遵守的相干非线性薛定谔耦合方程,研究了保偏光纤中两相近频率的线偏振光，其偏振方向相互正交且平行于光纤的双折射轴，且偏振方向沿两个双折射轴的分量强度相等时，在同为反常色散区和正常色散区所产生的调制不稳定性.结果表明在反常色散区和正常色散区都能产生调制不稳定性；在正常色散区存在不同的调制不稳定性功率区域，对应不同的功率区域，导致增益谱表现出明显的不同，并且当输入功率一定时，波长差(或频率差)的变化导致增益谱的变化. 关键词： 相近频率传输区域 双折射 保偏光纤 调制不稳定性     

电光调制器低频控制对受残余幅度调制影响的频率调制光谱线型优化研究

频率调制(FM)光谱技术中由于激光偏振态变化产生的残余幅度调制(RAM)使其在微量气体检测中的应用受到极大的限制。理论上详细分析了这一过程产生的原因,获得了存在RAM时FM光谱线型的表达式,同时给出N.C.Wong和J.L.Hall(W-H)方案抑制RAM后的FM光谱线型表达式;在实验上通过对乙炔气体的测量获得了存在RAM时的光谱线型,同时采用W-H方案对RAM进行了抑制,并获得了优化的光谱线型;最后基于理论结果对实验线型进行了拟合,两者差值小于信号峰峰值的4%。     

基于长周期光纤光栅和保偏光纤Sagnac环光谱特性的温度与应变测量研究

提出并研制了一种结构简单、成本低廉的温度与应变同时测量系统,其结构是在保偏光纤Sagnac环内接入一个长周期光纤光栅(LPFG)。利用LPFG对保偏光纤Sagnac环的透射光谱进行调制,通过监测谐振峰波长和强度的变化,发现波长随温度和保偏光纤的应变变化,强度随LPFG的应变变化,因此可以实现温度与应变的区分测量,并且可判断出应变的施加位置。实验得到该系统的温度灵敏度为0.181 81 nm·℃-1,LPFG区的应变灵敏度为0.005 283 dB·με-1,保偏光纤Sagnac环区的应变灵敏度为0.015 72 nm·με-1。实验结果表明该方案可行,并具有一定的实用性。     

微纳光纤环形腔海水温度的谐振光谱分析

微纳光纤环形腔作为传感器件,具有灵敏度高、响应快的优点,因而越来越广泛地应用在传感领域。环形腔的谐振光谱直接反映外界环境的变化,因此谐振光谱分析对探测环境参数至关重要。从理论和实验研究了微纳光纤环形腔谐振光谱与海水温度的关系。首先,数值计算了基模(HE₁₁)两个垂直偏振态的传播常数随光纤直径和探测波长的变化关系,计算结果表明传播常数随光纤直径增大而增大,随波长增大而减小,同时计算了传播常数随海水温度的变化,海水温度越高,传播常数越大,表明海水温度的变化会影响到模式的传播常数,因而可以通过测量谐振光谱的变化得知海水温度的变化。其次,搭建了海水温度传感实验系统,获得了微纳光纤环形腔海水温度的谐振光谱,实验发现同时存在两套谐振峰,分别对应基模的TE模和TM模,两个偏振模式的传感灵敏度分别为5.54和5.24 pm·℃-1。最后,探讨了基模两个偏振态谐振光谱的产生原因,由于结型耦合区的扭曲耦合使得两个偏振态分离,并对两个偏振模式的谐振强度进行了分析。两个模式的谐振强度不同,而且随着波长的增加,一个模的谐振强度不断增强,另一个模的谐振强度逐渐减弱。这是由于不同耦合态的耦合系数和衰减决定的,而且他们随着波长而改变。实验结果与理论计算相吻合。     

不同调制方式下偏振度与偏振模色散的关系

给出了偏振度与偏振模色散关系的理论模型,分析了非归零和归零两种调制方式下的偏振度与偏振模色散关系特性,结果表明偏振度町以作为实时检测偏振模色散的信号;且偏振度对偏振模色散的有效检测范围不大于调制光信号的占空比α,同时检测灵敏度与有效检测范围成反比;在非归零调制时偏振度对偏振模色散的有效检测范围最宽,为调制光信号的一个调制周期,是常规归零调制(占空比为0．5)时的2倍,但灵敏度只有常规归零调制时的一半。进一步探讨了在实际应用中改善偏振度对偏振模色散的有效检测范围和灵敏度的方法。实验验证了非归零调制时偏振度与偏振模色散关系特性。     

保偏光纤陀螺轴向磁敏感特性研究

研究了与光纤线圈敏感轴平行的轴向磁场作用下保偏光纤陀螺的漂移特性,建立了保偏光纤陀螺产生的非互易相位差与入射光偏振态关系的数学模型,并对该模型进行了实验验证.结果表明:轴向磁场对保偏光纤陀螺产生的非互易相位差源于光纤线圈内光纤的弯曲,且与线圈中光纤扭转分布具有密切关系,即当线圈绕制完毕,光纤扭转分布固定时,对应的保偏光纤陀螺轴向磁场灵敏度不变;保偏光纤陀螺轴向磁场灵敏度与射入光纤线圈内光的偏振态密切相关,通过改变入射偏振光的入射角,可在0~5°/h/mT范围内改变典型保偏光纤陀螺的轴向磁场灵敏度.     

偏振模耦合分布式光纤传感器的数值色散补偿

从理论和实验两个方面分析并验证了白光偏振耦合分布式保偏光纤传感器探测灵敏度与光纤双折射色散的关系。提出了一种色散补偿耦合强度的计算方法。该方法在忽略光传输中微弱损耗情况下,利用耦合点干涉包络面积在存在双折射色散情况下仍然保持不变这一特性,通过对干涉包络进行希尔伯特(Hilbert)包络提取和最小二乘非线性拟合得到干涉包络的面积,从而获得经过色散补偿后的偏振耦合强度值。实验结果表明,该色散补偿算法具有很高的准确性,尤其对短光纤,绝对偏差小于0.63 dB。     

电光相位调制器中剩余幅度调制变化的抑制

实验研究了电光相位调制中剩余幅度调制以及它的变化引起的碘稳频532 nm光频标的频率漂移。观测了电光晶体温度与剩余幅度调制和光频标锁定后激光频率之间的变化关系。研究了利用主动电压反馈抑制剩余幅度调制的实际效果和存在问题。提出并实现了采用主动温度反馈控制电光晶体温度对剩余幅度调制变化的抑制。实验表明,在主动温度反馈系统闭环后,剩余幅度调制基波成分的抑制程度超过40 dB,同时有效地控制了剩余幅度调制的变化。采用该系统后,没有发现产生附加的激光频率起伏。测量的百秒至万秒取样时间的激光频率稳定度可达到或优于5×10-15,明显地改善了碘稳频532 nm光频标的中长期激光频率稳定度。     

一种改进的双边带调制产生光毫米波的方案

提出了应用于光纤无线通信系统中一种改进的双边带调制产生光毫米波方案。在中心站采用强度调制将射频信号调制到光载波上产生一个双边带信号,滤掉中心载波后,利用光交叉复用器把双边带信号的上下边带模分开,将数据速率为2.5Gbit/s的基带信号调制到下边带模后,再与未调信号耦合后产生光毫米波,然后通过单模光纤传输至基站,在基站经过光电转换后产生电毫米波信号。从理论上对该毫米波的色散特性进行了分析,发现毫米波的接收功率不会周期的衰减。同时通过实验研究表明,下行链路信号通过光纤能传输50km而不需要色散补偿,功率代价小于1dBm。因此,该方法产生的光毫米波能有效克服光纤色散引起的信号时延而导致的基带信号退化,适合于远距离传输。     

基于串行最小频移键控的8进制调制的研究

提出了一种新型的基于串行结构的最小频移键控调制技术,产生了相位连续,频谱宽度窄,每码元时间有两次π/2相移,类似于传统最小频移键控调制信号,给出了该调制方案的理论推导,并将其应用于8进制的多维多阶调制系统中。理论和仿真分析了不同的8进制调制方案在频谱特性,残留色散容限,自相位调制容限的不同,还分析了其受到系统滤波带宽的影响。最后仿真实现了通过350km的色散完全补偿的光纤120Gb/s的数据传输。     

基于波长调制技术的激光器调制特性研究

在流场诊断技术中,可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一,其可实现非接触、原位检测。波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法,在目标含量很低或者极端流场环境下,波长调制技术呈现出更多的优势,检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。在近红外波长调制技术应用领域,分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一,无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合,还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数,吸收模型的准确建立均十分重要。在模型建立时,激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。为解决吸收模型准确建立问题,提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法,通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性,研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度,调制频率以及工作温度的变化。根据该方法得到的调制参数,建立吸收模型,测得常温下空气中水汽浓度为1.97%,直接吸收方法测得浓度为1.99%,验证了该测量方法的准确性。研究表明,调制深度随调制幅度的增加线性增加,随调制频率的增加非线性单调减小,随工作温度的升高线性增加;激光器的出光强度和频率同时被调制,强度变化超前频率变化的相位,随调制幅度的变化不明显,随调制频率的增加单调增加,随工作温度的升高单调减小;归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加,随调制频率的增加而减小,随工作温度的变化不明显。在吸收光谱应用领域,波长调制技术发挥的作用愈加重要,调制系数与谐波信号的峰值息息相关,在波长调制技术应用时,选取适当的调制参数,有利于得到合适的谐波信号,可通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数。研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性,该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究,利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。     

Comparative Study on Large and Small Signal Theory for Intensity Modulation Response of Semiconductor Lasers Including Higher-Order Dispersion Terms

In this article, the comparison of large signal theory and small signal theory has been done with dispersive propagation of optical signal with IMDD (Intensity Modulation Direct Detection) systems for semiconductor lasers with higher-order dispersion terms. The expressions for an exact large signal theory and small signal theory including higher-order dispersion terms for propagation of an optical wave with sinusoidal amplitude and frequency modulation in a dispersive fiber have been derived. It is observed that small signal theory is more sensitive compared to large signal theory in terms of intensity modulation/direct detection systems. Also, it is reported that for large signal analysis the higher-order effects of dispersion can be ignored, whereas for small signal theory, the higher-order effects can be ignored for lower modulation frequencies only. The variation in the transfer function for various values of modulation indices are greater for small signal analysis than for large signal analysis. Also, as the intensity modulation index is increased, there is a decrease in the value of transfer function. The large signal model approximates the small signal model for lower values of the intensity modulation index.     

Comparative Study on Large and Small Signal Theory for Intensity Modulation Response of Semiconductor Lasers Including Higher-Order Dispersion Terms

In this article, the comparison of large signal theory and small signal theory has been done with dispersive propagation of optical signal with IMDD (Intensity Modulation Direct Detection) systems for semiconductor lasers with higher-order dispersion terms. The expressions for an exact large signal theory and small signal theory including higher-order dispersion terms for propagation of an optical wave with sinusoidal amplitude and frequency modulation in a dispersive fiber have been derived. It is observed that small signal theory is more sensitive compared to large signal theory in terms of intensity modulation/direct detection systems. Also, it is reported that for large signal analysis the higher-order effects of dispersion can be ignored, whereas for small signal theory, the higher-order effects can be ignored for lower modulation frequencies only. The variation in the transfer function for various values of modulation indices are greater for small signal analysis than for large signal analysis. Also, as the intensity modulation index is increased, there is a decrease in the value of transfer function. The large signal model approximates the small signal model for lower values of the intensity modulation index.     

高斯变迹布拉格光纤光栅中的调制不稳定性

利用激光脉冲在光纤光栅中传播时所遵守的相干耦合非线性薛定谔方程,研究了激光脉冲在高斯变迹布拉格光纤光栅中传输时，在反常色散区和正常色散区所产生的调制不稳定性.结果表明在反常色散区和正常色散区都能产生调制不稳定性；在反常色散区，当输入功率达到一定数值时，产生明显的有规律的增益谱；在正常色散区，在产生调制不稳定性功率区域，调制不稳定性存在并从给定值一直持续到无穷；并且，在反常色散区和在正常色散区，增益谱都受到高斯变迹函数的制约. 关键词： 高斯变迹 布拉格光栅 调制不稳定性 增益     

光纤中基于交叉相位调制的超短光脉冲串的产生

提出一种在单模光纤正常色散区由连续波产生超短光脉冲串的新方法，即让连续波和一个波长位于光纤正常色散区的调制脉冲串在光纤中同时传输，交叉相位调制效应和群速度色散效应的相互作用能使连续波演化成一串超短光脉冲，其脉冲宽度比调制脉冲串中的脉宽要小得多，本文还通过计算机模拟，对这一方法进行了全面的考察和分析。结果表明，该方法不仅实用，而且可取得较好的效果。