受控光信号调制噪声研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.28MB 75 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 概述 ....................................................... 1
§1.2 研究背景和意义 ............................................. 1
§1.3 研究现状和前景 ............................................. 2
§1.4 全光受控时延信号处理的关键技术 ............................. 4
§1.4.1 声光调制 ............................................. 4
§1.4.2 光纤光栅 ............................................. 6
§1.4.3 单模掺铒光纤 ......................................... 8
§1.5 论文的主要工作和结构 ....................................... 9
第二章 受控光信号调制原理 ........................................... 11
§2.1 光的速度概述及光速调制 .................................... 11
§2.1.1 相速度，群速度和信号速度 ............................ 11
§2.1.2 光速减慢调制 ........................................ 13
§2.2 拍波原理 .................................................. 15
§2.3 受控约束转移原理 .......................................... 16
§2.4 Kukhtarev 光折变方程 ...................................... 20
第三章 LiNbO3晶体中受控光信号的传输及噪声 ........................... 21
§3.1 LiNbO3晶体的光折变效应 .................................... 21
§3.1.1 LiNbO3晶体概述 ...................................... 21
§3.1.2 LiNbO3晶体的折射率相位栅 ............................ 23
§3.1.3 LiNbO3晶体中的体相位栅的写入和擦除 .................. 25
§3.2 LiNbO3晶体中受控光信号的传输 .............................. 28
§3.2.1 周期结构介质 ........................................ 28
§3.2.2 光信号在 LiNbO3晶体中的约束转移 ......................28
§3.2.3 受控光信号在周期结构介质中传输的模拟 ................ 31
§3.3 LiNbO3光折变晶体中的光散射噪声 ............................ 33
§3.3.1 光散射噪声的产生机制 ................................ 33
§3.3.2 信号光与噪声光之间的光放大竞争 ...................... 35
§3.3.3 LiNbO3光折变晶体中扇形噪声的抑制 .................... 37
§3.4 本章小结 .................................................. 39
第四章 单模掺铒光纤中受控光信号的传输及噪声 ......................... 40
§4.1 光脉冲在单模掺铒光纤中的传输 .............................. 40
§4.1.1 非线性光脉冲信号传输方程 ............................ 40
§4.1.2 群速度色散引起信号脉冲的展宽 ........................ 42
§4.1.3 光在单模掺铒光纤中传输的模型 ........................ 44
§4.2 单模掺铒光纤中受控光信号调制 .............................. 45
§4.2.1 光纤布拉格光栅 ...................................... 45
§4.2.2 拍波对驻波的干扰 .................................... 47
§4.2.3 单模掺铒光纤中受控光信号传输及延迟实验 .............. 48
§4.3 单模掺铒光纤中的自发辐射噪声 ............................. 50
§4.3.1 单模掺铒光纤的放大机制 .............................. 50
§4.3.2 泵浦光的选择和最佳掺杂长度 .......................... 51
§4.3.3 自发辐射噪声 ........................................ 52
§4.4 本章小结 .................................................. 57
第五章 全光受控时延系统的实验与应用 ................................. 58
§5.1 全光受控时延系统用于信号压缩 .............................. 58
§5.1.1 光信号压缩概述 ...................................... 58
§5.1.2 光速减缓型信号压缩原理与方法 ........................ 59
§5.2 全光受控时延系统用于信号加密 .............................. 63
§5.2.1 双光路信号段切换加密原理 ............................ 63
§5.2.2 双光路信号段切换加密方法 ............................ 63
§5.3 全光受控时延系统的其它应用研究 ............................ 66
§5.3.1 加速度传感研究 ...................................... 66
§5.3.2 受抑势场研究 ........................................ 66
§5.4 全光受控时延系统的噪声 .................................... 66
第六章 结束语 ....................................................... 69
参考文献 ............................................................ 70
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 74
致 谢 .............................................................. 75
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 概述
目前数值计算及逻辑运算处理的过程需要提高信号传送及处理速度，同时也
需要提高抗干扰水平。电子信号系统运行速度主要由电子元件工作速度决定，导
致信号的传送速度和处理速度受限。电子信号系统由电子线路构成，而电子线路
由金属导线及半导体元件构成，每根导线都能感应电磁信号，抗电磁干扰能力很
差。半导体元件不仅不能抗电磁辐射，还不能抗核辐射，因为核辐射可改变其掺
杂状态。时延指信号在时域上的延迟，而不是指速率下降。目前光信号的时延常
采用一种方法，就是用很长的光纤来消耗时间。如果时延量级较大，就需数万米
光纤，操作起来非常困难。如果在全光系统中使用电子时延装置，就必须外加光-
电、电-光转换装置，成为非全光系统，间接造成系统的运行速率降低及抗干扰能
力变差。基于以上技术中出现的缺陷和难题，一种具有寄存器功能的全光受控时
延信号处理系统被提出并迅速成为关注的热点。
全光结构的信号系统是超高速计算及逻辑系统的发展方向，系统中使用光作
为信号载体因而传递速度接近极限，远超越电子线路的速度。全光系统没有电子
元件，因此具有很强的抗电磁干扰及抗多种辐射能力。全光信号系统中需要与之
相匹配的受控时延功能环节，类似于电子元件中的延迟器件，可独立形成功能系
统。
本论文的研究内容是国家自然科学基金项目（No.60472023）“全光受控时延
信号处理系统研究”的延伸。受控光信号调制是全光受控时延系统项目[1,2,3]的主要
研究内容，在研究中提出的受控约束转移原理，是受控光信号调制的理论基础。
全光受控时延系统可以应用于信号压缩，信号加密，加速度传感和受抑势场等方
向的研究，但由于噪声的存在，使系统的实用受到影响。通过研究受控光信号调
制噪声，可以分析全光受控时延系统内部的噪声来源，从而可以掌握光信号在传
输过程中会受到哪些因素的干扰。系统噪声品质得到改善，最终能够实现系统性
能的完善，推进系统的实用化进程。
§1.2 研究背景和意义
本世纪初，光速减缓[4,5]的研究者以零光速的提出获得诺贝尔奖。随后，光的
速度调制成为了新颖的科学研究领域。光速也改变了其经典的定义，被分为五种，
相速度，群速度，波前速，能量速和信号速。在光折变介质中调制波包的包络会
有不连续点，从而群速和信号速异常。改变介质状态可以实现光速调制。英国科
受控光信号调制噪声研究
2
学家的一项最新研究，从理论上提出了让光线减速到停滞的方法。英国萨里大学
（University of Surrey）的 Ortwin Hess 和同事提出，将两个“疯狂”的物理前沿研
究领域——光速减慢技术和“超材料”（metamaterials）开发结合起来，可以得到
一种材料，它能够将光线减速到极限。Hess 认为，如果未来人们能够按意愿改变
光速，光信号将更容易存储、传输和处理。当前光信号处理主要受到信号内容解
译速度的限制，如果光速能够变慢，无疑能够在系统不超负荷的情况下，处理更
多的信息。同时，目前的光信号传输方式并未利用光线带宽的巨大优势，因此，
Hess 等人研究将有望开创更加复杂和有效的信号传输方式。
全光信号处理对信号的处理完全在全光域内进行, 可以避免传统“光-电-光”
信号处理过程中电子瓶颈的限制, 是实现未来高速全光通信网络的关键技术。全
光信号处理主要包括全光波长转换、全光逻辑门、全光码型转换等。近年来周期
极化反转铌酸锂(PPLN)光波导在全光信号处理方面体现了独特的优越性, 如超快
的响应速度和极低的噪声影响。未来的工作一方面研究新型调制格式如差分相移
键控(DPSK)码参与的全光逻辑门和全光码型转换, 另一方面进一步拓宽 PPLN 光
波导在全光信号处理技术中的应用, 如超宽带(UWB)信号产生、慢光等。
光延迟线在雷达技术、全光信号处理、光通信等领域中有着广泛的用途,但是
目前通用的可调光延迟线是增量可调而非连续可调的。连续可调技术大大提高了
延迟精度,代表了光延迟线的发展方向。光纤在光通信和传感系统中作为光的传输
和信息传感的媒质，已经非常成熟。但作为光信号的处理媒质是近几年才出现的
事情。使用单模光纤作为延迟媒质，可获得104的延时带宽乘积，是现今各种信号
处理延迟线的最高值。
光放大的实现是光学工程领域的一次飞跃。在普通的单模光纤中掺入稀土元
素，就使原来无活性的光纤变的有活性，光纤性质也随之发生变化。20世纪60年
代人们对这种掺杂稀土元素的光纤的增益谱进行了研究，发现掺铒的光纤在
1550nm处有很好的辐射特性，正好落于光纤传输的低损耗窗口。1987年，英国南
安普顿大学的PAYE等人以这种光纤做增益介质，获得了28dB的小信号增益。以后
伴随着980nm和1480nm的半导体激光器泵浦源的出现，掺铒光纤得到了实用化。
由于掺铒光纤具有高增益，低噪声，连接损耗小的特点，在近年来得到了飞速的
发展，推动了光纤通信和光信号处理等技术的发展，将全光研究领域推向了更高
的阶段。
§1.3 研究现状和前景
作为电信号处理技术的自然延伸，全光的信号处理技术已成为信号处理技术
第一章 绪 论
3
的新领域。从这几年OFC的会议论文可以看出，全光信号处理的论文逐渐增多，
说明全光信号处理技术已经成为一种关键技术。全光通信网是全光信号领域的热
点研究课题。目前，世界许多发达国家进行了全光通信网的研究，如欧洲RACE计
划的OATM项目和ACTS计划中的KEOPS项目，美国DARPA支持的POND项目和
CORD项目，英国ERPC支持的WASPNET项目，日本NTT光网络实验室项目等。
许多研究都集中到光分组的产生、光同步和全光缓存等关键技术上。现今一根普
通光纤的数据容量已经达到10Tb/s以上，这是电信号传输无法达到的。然而目前的
技术水平对光信号的控制远远不如像对电信号那样随心所欲，在信息技术的采集、
传输、处理、存储及显示的5个环节中，光纤传输、光电检测、光学显示己经比电
子信息技术有明显的优势。但是，在以光信号的方式对光信息直接处理和直接储
存的技术，就相对落后许多，远不及电信号的处理与存储技术。这里涉及一大批
的光信号处理技术，比如光信号的缓存、光信号的识别、光信号的编码等。作为
这些技术的更底层的技术还包括:光信号的再生、光信号串/并变换、光逻辑、光
的移位寄存器等。
由于光子是玻色子，它的静止质量为零，不能停止运动，所以光子的存储必
须采用一种光子能在其间运动的介质。这种介质可以称为存储体。光纤就是一种
比较理想的存储体，它不仅可以使光子在其中运动，而且可以比较方便的做成所
需要的形状。比如一个封闭的光纤环，如果它是理想的无损光纤，那么光子将在
其内永远的运转下去。但实际上光纤是有损耗的，为了补充光子的损失，必须加
入光放大器，这样就会引入噪声。虽然如此，在不自激的前提下的有放大的光纤
环，可以使光子在光纤环内存活一定的时间。一个关键的问题是如何将光子引入
到光纤中(“写”)和如何从光纤中取出(“读”)。由于光子从光纤中取出后，光
纤中存储的信息也就随之消失了。所以这种只能读一次的光存储器(Memory)只能
称为缓存器(Bufer)。要想做到多次读出，必须在读出的时候，还要重新写一次(刷
新)。国际上对全光缓存器(All-Optical Bufer)或者全光存储器[6](All-Optical Storage
Memory)的研究十分重视，己经提出很多方案和进行了一系列的实验。光纤延迟
线与光开关构成的全光缓存器是全光缓存器的实现方案之一。利用光纤的延迟特
性配合光开关来调节延迟时间，就构成了“交换延迟线”（SDL)，它是由美
Massachusetts大学的I.Chlamtac等人于1991年提出的，见图1.1。经过近十年的研究，
已经有了很大的进展,这种形式的全光缓存器结构简单，易于实现，所需要的2x2
的光开关最少。可以比较容易的调节延迟到1个时间片(time slot)，比如一个比特或
一个字节或一个信元长度。每个包在经历SDL系统时，所经过的光开关的数量相同。
这种暂存器是一种前向结构(没有回馈)，易于控制与调整。但是，它不是一个真
受控光信号调制噪声研究
4
正意义的缓存器，而只是一个暂存器，缓存时间很有限。另外，调节也比较困难，
从而成本、损耗及串音都会增加。基于光纤反射腔和光开关方案是由美国伊利诺
伊州的西北大学G.D.Bartolini等人于1997年提出的，原理如图1.2，在一根光纤的两
端，分别加一个透过率(反射率)可调镜片。当需要把光信号引入时，可将M1调整
到透光状态。待光信号进入光纤后，Ml立刻转换为全反射状态，M2此时也是全反
射状态，于是光信号就在由两个全反射镜组成的FP腔中来回运动，被存储于光纤
中。当需要读出的时候，只需将M2改成透光状态即可。
图1.1 光纤延迟线构成全光缓存器 图1.2 光纤反射腔和光开关构成全光缓存器
§1.4 全光受控时延信号处理的关键技术
§1.4.1 声光调制
目前声光器件主要有声光可调滤波器、声光调制器、声光移频器和声光偏转
器等，利用声光作用还可以快速而有效地控制激光束的频率、方向和强度。随着
声光技术的发展，声光信号处理已成为光信号处理的一个分支。
声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现
象是光波与介质中声波相互作用的结果。当超声波在介质中传播时，将引起介质
的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相
应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。
表1-1 拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射产生条件上的区别
拉曼-奈斯衍射
布拉格衍射
声光作用长度较短
声光作用长度较长
超声波的频率较低
超声波的频率较高
光波垂直于声场传播的方向
光束与声波面间以一定的角度斜入射
声光晶体相当于一个“平面光栅”
声光晶体相当于一个“立体光栅”
根据声波频率的高低和声光作用的超声场长度的大小的不同，声光效应可以
分为拉曼－奈斯声光(Ram-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种。拉曼-奈斯衍射和
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.........................................................1§1.1概述.......................................................1§1.2研究背景和意义.............................................1§1.3研究现状和前景.............................................2§1.4全光受控时延信号处理的关键技术...............................

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：75 页 大小：2.28MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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