光波导受控信号传送方法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.52MB 67 页 15积分

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摘要

本文是作者参加国家自然科学基金项目 (编号 60472023)部分工作的总结。文

中阐述了光信号在特殊结构的介质中传播时速度被调制的现象及特征，讨论了受

控等效光速调制的新方法。该方法将信号光脉冲约束在被控制光群速调制的介质

中进行传输，从而实现信号的受控时延，满足特殊光信号处理及物理量传感需求。

原理部分从经典的观点出发，对光速以及光信号在介质中的传输行为进行分

析，基于电磁诱导透明技术理论阐述了现有的光速调制方法。介绍差拍干涉和

Bragg 光栅的基本原理，并对主要参数进行推导。

文中提出了一种光波导中全光等效光速减缓方法，并结合计算机模拟与实验

结果进行分析。在光折变波导材料中采用掩模法光写入 Bragg 光栅。随后在波导

背面用红拍频激光对 Bragg 光栅进行擦除，使局部光栅被擦除而形成移动腔，其

内可存入并传输信号。通过改变拍频光的群速度的方法，达到控制光信号传输速

度的目的。该系统提供了一种实现等效光速调制的新途径。

在上述系统的理论研究和实验结果的基础上，提出了相关的设计方案，即：

受控光信号压缩传送系统和线性磁场强度测量系统。并进行部分实验，其结果与

设计要求基本一致。

光速减缓方法在光信息领域中的应用越来越广泛，目前关于光速减缓的研究仍

在继续深入。论文中所涉及的研究成果，对光速调制的探索，具有一定的参考价

值。

关键词：光波导光速减缓 Bragg 光栅光折变

ABSTRACT

This article is a summary of the work the author took in the project(No.60472023).

This article expounded some phenomena and characteristics of light while passing

medium with particular structure, and discussed a new method of equivalent controlled

modulation of light speed, and realized the controlled time delay of passing signal. The

method can be used in some peculiar processing circumstances and sensors.

The part of theory begin with the classical point, analyzed the light speed and the

forms of the light transmission in different materials. Expounded the technique of

electromagnetically induced transparency, which was the present method to realize the

Modulation of the speed of light. Introduced the basis of beat-frequency interfere and

Bragg gratings.

And then propose a kind of all-optical equivalent controlled light speed slowdown

method in the optical waveguide, and carry out analysis combining with the imitative

and experiment test result. Through the method making use of mask, Bragg gratings are

written into the optical waveguide that is made by photorefractive crystal. Then the red

beat-frequency laser signal, which are written into through the reverse side of the

waveguide, invalidated part of the gratings and formed the moving cavity to save and

transmission the signal. Through the method of changing beat-frequency signal’s group

velocity, achieve the purpose of control the optical signal velocity. It provides a new

method of equivalent light speed slowdown.

Base on the theory of this system and the experiment result, the new design plan

has been created ，these were the system of the controlled light signal compresses

transmission and the linearity magnetic intensity testing system. Parts of these

experiments were done, and the results agreed with the theory.

More and more methods of light speed slowdown were applied to light signal

communication, recently the research of light speed slowdown needed a great deal of

improvement. This article’s results had certain reference value to the light speed

slowdown research.

Key words: optical waveguide, light speed slowdown, Bragg gratings,

photorefractive

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 概述 ...................................................................................................................1

§1.2 课题研究现状和前景 .......................................................................................1

§1.3 论文中心内容 ...................................................................................................3

第二章光传输过程研究 .................................................................................................5

§2.1 光速定义 ...........................................................................................................5

§2.2 相速度与群速度 ...............................................................................................6

§2.3 光在波导内的传输过程研究 ...........................................................................8

§2.3.1 传输损耗 .................................................................................................8

§2.3.2 色散 .........................................................................................................9

第三章光速调制 ...........................................................................................................12

§3.1 光速调制 .........................................................................................................12

§3.2 电磁诱导透明技术 .........................................................................................13

§3.2.1 电磁诱导透明实现的慢光效应 ...........................................................13

§3.2.2 电磁诱导透明慢光效应的解释 ...........................................................14

第四章 Bragg 光栅 ........................................................................................................16

§4.1 Bragg 光栅技术发展背景 ...............................................................................16

§4.2 光纤光敏特性 .................................................................................................16

§4.3 光纤增敏 ..........................................................................................................17

§4.3.1 载氢技术 ...............................................................................................17

§4.3.2 光纤还原法 ...........................................................................................18

§4.3.3 多种掺杂 ...............................................................................................18

§4.4 光折变晶体 .....................................................................................................19

§4.4.1 光折变晶体基本概念 ...........................................................................19

§4.4.2 光折变材料性能参数 ...........................................................................20

§4.5 Bragg 光栅基本概念 .......................................................................................21

§4.6 Bragg 光栅写入方法 .......................................................................................23

§4.6.1 全息干涉法 ...........................................................................................24

§4.6.2 相位掩膜法 ...........................................................................................25

§4.6.3 逐点写入法 ...........................................................................................26

第五章差拍干涉与拍频光 ...........................................................................................28

§5.1 双光信号干涉原理 .........................................................................................28

§5.1.1 波的定义 ...............................................................................................28

§5.1.2 波的共性 ...............................................................................................28

§5.1.3 波的干涉 ...............................................................................................29

§5.1.4 光的干涉 ...............................................................................................30

§5.2 差拍干涉 .........................................................................................................33

§5.2.1 差拍干涉参数计算 ...............................................................................33

§5.2.2 光束移频实现方法 ...............................................................................36

第六章光波导中受控光信号时延系统 .......................................................................38

§6.1 系统结构分析 .................................................................................................38

§6.2 系统内 Bragg 光栅应用 .................................................................................39

§6.2.1 Bragg 光栅写入 .....................................................................................39

§6.2.2 Bragg 光栅受控擦除和信号腔形成原理 .............................................39

§6.3 系统模拟与实验结果 .....................................................................................41

§6.3.1 拍频信号模拟 .......................................................................................42

§6.3.2 信号腔模拟 ...........................................................................................44

§6.3.3 信号光传输模拟 ...................................................................................45

§6.3.4 实验系统结果 .......................................................................................46

§6.4 结论 .................................................................................................................47

第七章实验设计与讨论 ...............................................................................................48

§7.1 光波导受控信号传送方法应用——全光受控光信号压缩传送系统 .........48

§7.1.1 系统结构 ...............................................................................................48

§7.1.2 信号受控压缩原理 ...............................................................................50

§7.1.3 模拟与实验结果 ...................................................................................52

§7.1.4 结论 .......................................................................................................53

§7.2 光波导受控信号传送方法应用——线性磁场强度测量系统 .....................54

§7.2.1 系统原理 ...............................................................................................54

§7.2.2 线性磁场强度测量原理 .......................................................................55

§7.2.3 模拟与实验结果 ...................................................................................57

§7.2.4 结论 .......................................................................................................59

第八章结束语 ...............................................................................................................60

参考文献 .........................................................................................................................61

第一章绪论

§1.1 概述

本课题的工作内容基于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”。项目组从 2000 年开始进行研究。2005 年获国家自然科学

基金资助。项目组最初的研究中心是在常温下通过可控态光致折变晶体混波方法

实现光速减缓型信号处理。当受控光束使光致折变晶体中产生周期结构后，光子

通过其中受调布里渊坪区时可产生非匹配干涉型震荡。群速转换将使光速减慢。

但由于输出光强度极微弱无法实用，不能处理脉冲波。

鉴于以上对早期原理的质疑，项目组首先将铌酸锂晶体改为光纤锥，经慎重

考虑后，决定利用通讯技术中有增益掺铒光纤。主要原因是由于该种光纤有较完

整的资料及实验设备。并改造了实验设备，使之成为适合本项目之用。项目组原

创了“受控约束转移”原理，有一定突破意义。

基于以上新原理的建立，项目组完成了多种全光信号处理探索及研究：如，

信号约束转移时延、红擦型时延、信号时域压缩、切换置乱加密、多腔加速度测

量、受抑势场与异常折射问题。

本课题中受控时延信号处理系统的核心传输介质为由光折变晶体材料制成的

平面光波导。并且以此对整个系统进行完善，就Bragg光栅的写入方法来说，传输

介质的不同使得Bragg光栅的写入方法从原本的驻波法进一步演变为相位掩模写

入法。由此提高了写入光栅的质量，并且降低了对于写入光栅光源的时间和空间

的相干性要求。对于项目组突破性的“受控约束转移”原理，在本系统中依然得

到应用。

基于此方法的光波导材料受控信号分析系统在应用中有着巨大的潜力。首先，

采用由电、磁绝缘的材料组成的全光系统，决定了系统在使用中不必担心外界的

电、磁干扰，应用范围极广。其次，Bragg 光栅的特性使系统可以作为多种测量类

型理想的传感器例如外界的应力测量，线性磁场测量等。

§1.2 课题研究现状和前景

光速调制方向：

光波导受控信号传送方法研究

1995年，董晋曦发表了一篇英文文章“检验光速不变假设的新方法”，文章认

为“光速与传播方向无关”一直未能以明确的实验结果给出证明[1]。

1999年，英国伦敦帝国学院J.Magueijo、加州大学Davise分校A.Albrecht以及英

国剑桥大学J.Barrow共同提出“光速可变理论“（varying speed of light theory，VSL）

比较引人注目[2]，并发表题为“光速随时间而变—宇宙学疑迷的一个解答”文章。

VSL的要点是说。由此我们发现，超光速研究与光速不变或者说光速可变研究密切

光波导受控信号传送方法研究

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