（光学工程专业论文）磁光光栅的可调梳状滤波特性研究.pdf

摘要 摘要 随着光子学的发展及光学工艺、材料及技术的突破，全光信号处理技术成为 光信号领域的研究热点，开发具有全光信号处理功能的新型器件也备受关注。基 于磁光效应的周期波导结构磁光光栅作为一种新型的、灵活受控的多功能光 子器件，在光信号处理、光通信、光传感等领域有着潜在的应用前景。 本文分析磁光光栅的可调梳状滤波特性，并通过研究磁光光栅滤波器的抖动 性能考察它在全光时钟提取方面的应用。主要内容和创新点如下： 1 、根据磁光光纤布拉格光栅的耦合模理论，研究了磁光耦合强度对磁光光纤 布拉格光栅中模式转换光反射光谱特性的影响。通过调节外加磁场或改变磁光耦 合强度，使磁光光纤布拉格光栅具有可调梳状滤波功能。当磁光耦合参量在 肛1 3 m 1 范围内改变时，谱线间隔基本保持不变。 2 、利用法布里珀罗滤波器的归一化幅度抖动均方根公式，近似分析了磁光光 栅的抖动性能。研究表明，通过调节磁光耦合参量的大小，可改变磁光光栅滤波 器的归一化幅度抖动均方根，进而改善磁光光栅滤波器抖动性能。 3 、采用级联磁光光纤布拉格光栅方式构造了一种磁控可调的磁光光栅梳状滤 波器，并用于4 0 g b p s 归零码型数据光信号的全光时钟提取仿真。分析了磁光耦合 参量与光发射机的中心波长稳定性对所提取时钟质量的影响；同时，指出了磁光 光栅滤波器具有简单、磁控可调、数据率透明等特点。 关键词：磁光光纤布拉格光栅；磁光耦合参量；可调梳状滤波器；全光时钟提取 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp h o t o n i c s jo p t i c a lm a t e r i a la n dt e c h n o l o g y , a 1 1 - o p t i c a l s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nb e c o m i n gt h er e s e a r c hf o c u s ，t h en e wd e v i c e s w i t ha l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gf u n c t i o n sh a v e b e e n p a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a s an o v e l p e r i o d _ c o u p l i n gw a v e g u i d es t r u c t u r ew i t ht h em a g n e t o o p t i c a le f f e c t s t h e m a g n e t o o p t i c a lg r a t i n g sa r eo ff l e x i b l ec o n t r o l l a b i l i t y , a n dm u l t i f u n c t i o nw i t hp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n st ot h ef i l e d so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，o p f i c ms e n s i n g , a n do p t i c a ls i 朗a 1 p r o c e s s i n g , e t c i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t u n a b l ec o m bf i l t e ra n dt h ej i t t e rp e l l f b 肌a n c eo f t h em a g n e t o 。o p f i c mf i b e rb r a g gg r a t i n g ( m f b g ) a r ea n a l y z e da n di t s a p p l i c a t i o ni n a 1 1 o p t i c a lc l o c ke x t r a c t i o ni si n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n t e n t sa n di 衄o v a t i o n sa r ea 8 f o l l o w s ： 1 t h e d e p e n d e n c eo fr e f l e c t i o n s p e c t r u m o fm o d e c o n v e r t e d l i g h t o n m a g n e t o o p t i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n ti nt h em f b gi ss t u d i e d a c c o r d i n gt o t h e m o d e - c o u p l e dt h e o r yf o rt h em f b g b ya d j u s t i n gt h em a g n e t i cf i e l do r c h a n g i n gt h e m a g n e t o 。o p t i c a lc o u p l i n gp a r a m e t e r , t h ep o s i t i o no ft h ep h o t o n i cb a n dg a pc a nb e c o n t r o l l e d ，a n dt h e nt h ef u n c t i o no ft u m a b l ec o m bf i l t e ri s a c h i e v e d w h e nt l l e m a g n e t o o p t i c a lc o u p l i n gp a r a m e t e ri sc h a n g e di nt h er a n g eo fo 1 3 m - 1 t h ef r e e s p e c t r a lr a n g ek e e pf i x e db a s i c a l l y 2 a c c o r d i n gt ot h en o r m a l i z e dr m sa m p l i t u d ej i t t e rf o r m u l ao ft h ef - pf i l t e r , t h e a m p l i t u d ej i t t e rp e r f o r m a n c eo ft h em f b gf i l t e ri sa n a l y z e d t h ea n a l y s i ss h o w st 1 1 a t a d j u s t i n gt h em a g n e t o o p t i c a lc o u p l i n gp a r a m e t e rc a ni m p r o v et h ej i t t e rp e r f 0 肌a n c eo f t h em f b gf i l t e r 3 t h ec l o c ke x t r a n t i o no f4 0 g b p sr zd a t as i g n a lb yu t i l i z i n gt h ec o m b f i l t e r i n go f c a s c a d e dm f b g su n d e rb i a s m a g n e t i cf i e l d si ss i m u l a t e d t h ei n f l u e n c eo ft h e m a g n e t o o p t i c a lc o u p l i n gp a r a m e t e ra n dt h ew a v e l e n g t hs t a b i l i t yo fl a s e ro nt h e 甑t r a c t e dc l o c ki sa l s oa n a l y z e d ；m e a n w h i l e , i ts h o w st h a tt h em a g n e t o o p t i c a lg r a t i n g f i l t e rh a st h ea d v a n t a g e so f s i m p l e ，m a g n e t i c c o n t r o l l e d ，e t c i i k e yw o r d s ：m a g n e t o - o p t i c a l f i b e rb r a g gg r a t i n g ；m a g n e t o - o p t i c a l c o u p l i n g p a r a m e t e r ；t u r n a b l ec o m bf i l t e r ；a l l o p t i c a lc l o c ke x t r a c t i o n i i i 图形列表 图1 1 图1 - 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图形列表 全光信号处理器件实物图2 梳状滤波器的滤波法实现原理简图，( a ) 归零码随机脉冲序列的功率 谱结构，( b ) 梳状滤波器频谱图，( c ) 运用滤波法所提取的时钟信号 频谱图4 基于法布里珀罗谐振器的时钟提取框图j ：5 基于磁光光栅可调梳状滤波器的时钟提取框图6 磁化强度m xg 寸( n m ) 7 口限刎7 7 例聊7 7 似卿7 0 透射光谱的影响7 线偏振光在磁光光纤布拉格光栅中传输的理论模型1 0 线偏振光在磁光光纤布拉格光栅中的模式转换光光谱图，( a ) ( b ) 透射光 谱图，( c ) ( d ) 反射光谱图13 彳：( o ) 的功率谱函数r ，的功率谱曲线1 6 磁光耦合参量对m f b g 模式转换光的反射光谱的影响1 7 m f b g 的磁控特性，( a ) 磁光耦合参量与f w h m 的关系，( b ) 磁光耦合 参量与f s r 的关系2 0 滤波法存在抖动的原因，( a ) 输入的归零码型数据光信号在载波频率 漂移影响下的光谱图，( b ) 梳状滤波器发生谐振失调的情况2 3 反射率与归一化幅度抖动均方根的关系2 6 f p 谐振腔的多次反射模型图一2 7 法布里一珀罗滤波器的传递功率谱谱线图2 8 法布里珀罗滤波器的精细度f 与反射率r 的关系曲线图2 9 m f b g 与f p 传输特性的比较3 0 精细度f 与归一化幅度抖动均方根仃的关系曲线图3 1 磁光耦合参量k 与精细度f 的关系曲线图3 2 磁光耦合参量k 与归一化幅度抖动均方根盯关系3 2 m f b g 梳状滤波器归一化传输曲线3 6 归零码型数据光信号频谱示意图3 6 基于磁光光纤布拉格光栅的全光时钟提取系统图3 7 基于磁光光纤布拉格光栅的全光时钟提取的仿真平台图3 8 v i 图形列表 图4 54 0 g b p s 归零码型数据光信号产生单元产生平台图3 9 图4 6 中心波长为a , = 1 5 5 0 n m ，速率为4 0 g b p s 的归零码型数据光信号时域波 形图3 9 图4 7中心波长为九= 15 5 0 r i m ，速率为4 0 g b p s 的归零码型数据光信号频谱图 ：z l ( ) 图4 8中心波长为l = 15 5 0 n m ，速率为4 0 g b p s 的归零码型数据光信号频域光 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 功率分布图4 0 o p t i s y s t e m 6 0 平台中的m f b g 滤波器元器件设计图。4 1 m f b g 滤波器所提取的光时钟信号频谱图4 2 m f b g 滤波器所提取的光时钟信号时域图4 3 m f b g 滤波器所提取的时钟信号时域图，( a ) k = 0 5 m 。时所提取的时 钟，( b ) k = 1 m d 时所提取的时钟，( c ) = 2 m 。时所提取的时钟， ( d ) k = 3 m - 1 时所提取的时钟4 5 m f b g 滤波器所提取的时钟信号时域图，( a ) 漂移0 0 0 4 n m 时，( b ) 漂 移0 0 0 0 8 n m 时，( c ) 漂移0 0 0 0 4 n r n 时，( d ) 漂移0 0 0 0 0 8 n m 时4 7 v i i 表格列表 表格列表 表2 1m f b g 的相关参数取值1 3 表2 2 磁光耦合参量对滤波器性能的影响18 表2 3 磁光耦合参量对频率间隔与3 d b 带宽的影响1 9 表3 。1滤波器性能影响参数的数值对比表3 3 表4 1m f b g 梳状滤波器的相关参数取值3 5 表4 2 归零码型数据光信号产生单元的平台装置功能及参数设置表3 8 v i i i 缩略字表 a o n m 噼c m 阳g m o e p c p b g l d ，m p c g f b g f s r f f w h m f - p p p g 缩略字表 a u - o p f i e a ln e t w o r k m a g n o t o p h o t o n i cc r y s t a l m a g n e t o - o p t i cf i b e rb m g gg r a t i n g m a g n e t - o p t i c a le f f e c t p h o t o n i ec r y s t a l p h o t o n i cb a n dg a p o n e - d i m e n s i o n a lm a g n e t o - p h o t o n i ec r y s t a l y t t r i u mi r o ng a r n e t f i b e rb r a g gg r a t i n g f r e es p e c t r a lr a n g e f i n e n e s s f u l l 、m d n la th a l fm a x i m u m f a b r y p e r o t p u l s ep a t t e r ng e n e r a t o r i x 全光通信网络 磁光子晶体 磁光光纤布拉格光栅 磁光效应 光子晶体 光子带隙 一维磁光子晶体 钇铁石榴石 光纤布拉格光栅 自由光谱区 精细度 半波全宽 法布里一珀罗 脉冲码型发生器 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：壅塑日期：弘f 。年 月腮日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘曼堑导师签名： 日期：如i o 年j 月心日 第一章绪论 第一章绪论 2 1 世纪的来临，人类迈入了一个崭新的纪元，随着社会经济的发展和人们物 质生活水平的提高，信息化的普及程度也与日剧增，导致人们对通信技术也有了 更高的要求。另一方面，信号的传输距离和传输速率，由于“电子瓶颈 问题的 存在而受到了极大的限制。为此，人们提出了下一代全光通信网络【l - - 4 ( a 1 1 o p t i c a l n e t w o r k ，a o n ) ，即智能光网络【5 卅。同时，由于光子学的发展及光学工艺、材料 及技术的突破，使全光信号处理技术也成为研究热点，具有全光信号处理功能的 新型器件也受到越来越多的关注。 1 1 全光信号处理 全光信号处理技术【7 】是利用全光的方法对光信号进行处理，其主要特征是不需 要经过光电转换和电光转换，直接在光域上对光载波上携带的信息进行处理。对 于新型光器件代替传统的光电。光器件的研究己成为必然趋势。 全光信号处理技术的实现可以克服“电子瓶颈”问题的制约，同时，由于光 子学的发展及光学工艺、材料及技术的突破【8 】，全光信号处理技术已成为热点，具 有全光信号处理功能的器件也受到越来越多的关注。在光通信网络中，全光信号 处理技术能否得到普遍的应用的首要条件是所开发出的光信号处理功能器件具有 实用化的特征。图1 1 所示的全光信号处理器件是光子集成器件，是由澳大利亚悉 尼大学c u d o s 研究中心开发的新型光器件【9 】。 由于光子晶体的许多光学参量均具有可控的特性，越来越多的基于光子晶体 的新型光器件被开发，并大量的在光信号处理、光通信以及光学传感等领域应用。 【1 0 】f l l 】因此，具有全光信号处理功能的新型光器件也成为研究的热点，受到了广泛 的关注。 多年来，导师武保剑教授在对微波磁光理论与磁光信号处理领域深入研究的 基础上，结合新型光器件研究成为热点的契机，提出开展基于磁光材料的新型光 器件研究。 电子科技大学硕士学位论文 图i - 1 全光信号处理器什实物翻h 本论文所阐述的磁光材料器件是磁光光栅，研究磁光光栅的可调梳状滤被特 性，进而探索该特性在全光信号处理领域的应用。 12 梳状滤波特性 外加磁场作用下的磁光光栅，由于磁光效应，具有可调梳状滤波的特性。该 特性在光信号处理技术中，最常见的应用是研制出具有可调梳状滤波特性的光子 器件，即可调梳状滤波器。下面介绍可调梳状滤波器的滤被法实现及其应用。 利用梳状滤波器进行光时钟提取需满足两个条件： ( 1 ) 梳状滤波器的自由光谱区( f r e es p e c t r a lr a n g e ，f s r ) 的频率间隔要和输入 光脉冲的时钟频率相同： ( 2 ) 梳状滤波器的其中一个透射窗口中心要和输入光脉冲的中心波长对准。 这样，输入的数据光信号频谱中对应时钟信息的离散谱分量，就可以通过梳状 滤波器的透射窗口，得到光时钟脉冲的输出。需要特别指出，利用梳状滤波器的 滤波法实现需满足个默认的前提：输入的数据光信号必须含有丰富的定时信息。 121归零码型随机序列的功率谱函数 归零码型随机序列2 1 是一种具有丰富定时信息的随机序列，即它满足了“输 入的数据光信号必须含有丰富的定时信息”这个默认的前提条件，因此，梳状滤 第一章绪论 波器能够从归零码型随机序列中提取出时钟脉冲。下面对归零码型随机序列的功 率谱函数进行分析。 一 归零码型随机序列是码型独立的二元随机序列，“1 码对应的时隙位置有归 零脉冲，“0 码对应没有脉冲的空时隙。则该信号的时域表达式为 s ( f ) = a g ( t - n t ，) h ；q ( 1 - 1 ) 其中，锄表示在胁瓦向+ 矽乃】区间中等概率的取0 或1 的随机数，瓦表示码元 周期，g 何表示序列中单个脉冲的时域波形函数。 删可分为稳态分量和交变分量，其中，例表示稳态分量，删表示交变分 量，它们的时域表达式分别为 矿( f ) = e ( s ( f ) ) = p g ( t - n t ，) f l z - - ( 1 - 2 ) u ( f ) = s ( f ) 一y ( f ) = ( 口。- p ) g ( t - n t 。) ( 1 3 ) n = 其中p 表示序列中归零脉冲“l ”出现的概率，e ( ) 表示删的统计平均。 由俐和驯时域表达式可以看出：稳态分量例表示一个具有周期性的函 数，而交变分量喇则表示一个纯随机过程。 稳态分量俐和交变分量喇分别进行傅里叶变换，得到各自的功率谱函数表 达式分别为 p v ( f ) = iz g ( m f ) i 2 万( 厂一形) ( 1 4 ) 尼( 力= f 。( 1 - p ) p i g ( f ) 1 2 ( 1 5 ) 归零码型随机序列的功率谱函数是它的交变分量功率谱函数与稳态分量功率 谱函数之和，总的功率谱函数表达式为 以厂) = 弓( 厂) + 弓( 力= if 。g ( m f ) 2 a ( f m a ) + a 0 一p ) plg ( 厂) 1 2 ( 1 6 ) 用= 呻 3 一皇至型垫奎堂堡主堂垡笙奎 其中尸仞表示归零码型随机序列的功率谱函数，p 彻表示稳态分量功率谱函数，p 彻 表示交变分量功率谱函数，g o ) 表示序列中单个脉冲g ( o 的频域表达函数，石= 1 t , 表示归零码型随机序列的重复频率，6 汐表示冲激函数的频域表达函数。 离散谱分量 、 ( a ) f s r ( b ) 厂 ji jiji 十千 一 ( c )f 图l _ 2 梳状滤波器的滤波法实现原理简图，( a ) 归零码随机脉冲序列的功率谱结构，( b ) 梳 状滤波器频谱图，( c ) 运用滤波法所提取的时钟信号频谱图 归零码型随机序列的功率谱函数p 6 9 的频域图见图1 - 2 ( a ) ，可直观地看出： 稳态分量功率谱和交变分量功率谱构成了归零码型随机序列总的功率谱。稳态分 量功率谱是由一系列离散的冲击序列组成的线状谱线结构，线状谱线的频率间隔 4 第一章绪论 石对应于光脉冲的速率，即为频谱中的时钟分量，因此，稳态分量是我们所需要提 取的时钟信息。交变分量功率谱函数是连续谱线，它所对应的是脉冲的形状。 从上面对归零码型随机序列的功率谱函数分析，可得归零码随机脉冲序列的 功率谱包括两部分：对应于脉冲形状的连续谱成分和对应于脉冲速率的离散谱成 分，即为频谱中的时钟分量。可以利用梳状滤波器使周期性的线状谱线通过，尽 最大能力的阻止其他的信号成分通过，从而实现滤波法的时钟提取功能，图1 2 可以直观的说明梳状滤波器的滤波法实现原理。 1 2 2 梳状滤波器的应用 梳状滤波器常在光信号处理领域中应用，如全光3 r 中的关键技术全光时 钟提取技术。通过文献考察，目前有两种方案：基于法布里一珀罗( f a b r y - p e r o t ，f p ) 梳状滤波器的时钟提取技术 1 3 1 6 1 和基于磁光光栅梳状滤波器的时钟提取技术。针对 这两种梳状滤波器的时钟提取技术分别进行介绍，并从本质上给予区别对待。 1 基于法布里珀罗梳状滤波器的时钟提取技术 基于法布里一珀罗梳状滤波器的时钟提取技术是一种采用光谐振实现光时钟提 取的技术。其原理如图1 3 所示，它的核心器件是f p 梳状滤波器，利用一个无源 的f p 谐振腔从归零码型数据光信号中提取出时钟成分。它是一种无源被动的光 谐振时钟提取技术，具有高速处理信号的潜力、结构简单及信号捕获时间短等优 点，目前，已有从速率为4 0 g b p s 归零码型数据光信号中提取出4 0 h z 的时钟信号 的实验报道。【1 7 】【1 8 】 i n p u t f pf i l t e r o u t p u tc l o c k 图1 - 3 基于法布里- 珀罗谐振器的时钟提取框图 2 基于磁光光栅可调梳状滤波器的时钟提取技术 基于磁光光栅可调梳状滤波器的时钟提取技术是一种采用新型的光器件实现 光时钟提取的新技术。其原理如图1 4 所示，它的核心器件是磁光光栅，即一维磁 光子晶体【撙】( o n e d i m e n s i o n a lm a g n e t o p h o t o n i cc r y s t a l ，1d m p c ) ，或磁光光纤布 拉格光栅【2 0 】( m a g n e t o o p t i cf i b e rb r a g gg r a t i n g , m f b g ) 等新型磁光材料器件。它 5 电子科技大学硕士学位论文 是一种基于无源滤波器的时钟提取技术，通过调节外加磁场大小，改变磁光光栅 的磁化强度，影响了磁光耦合参量，最终实现透射谐振峰间距的调节，实现动态、 智能的光时钟提取。该时钟提取技术具有操作方便、结构简单、自动识别光信号 时钟等优点。 外加磁场 l；ll | | | | i vv 丫丫丫丫 数据光信号广光时钟信号 _ _ - _ + 叫磁光光栅卜_ l i 光路 _ i _ _ 磁路 一i - 图1 _ 4 基于磁光光栅可调梳状滤波器的时钟提取框图 总而言之，虽然f p 滤波器和磁光光栅可调梳状滤波器均能实现时钟提取， 且各具特点，但是，由于它们构成梳状滤波原理的不同，便造成了彼此存在着差 异。同时，由于磁光光栅滤波器的可调梳状滤波特性，与f p 滤波器对比有着自 适应调节功能，可以主动跟踪时钟抖动和信号处理数据透明的优点。 鉴于磁光光栅有着这些优势，本文将在第四章的应用部分，详细地介绍磁光 光栅在时钟提取技术的应用及其前景。 1 3 磁光光栅 磁光光栅是一类具有磁光效应的光栅波导结构，具有比传统光栅更加丰富的 光信号处理功能。主要的光栅波导结构有磁光子晶体( m a g n e t o 。p h o t o n i cc r y s t a l ， m p c ) 、磁光光纤布拉格光栅( m f b g ) 等。 利用磁光效应等基本理论分析磁光光栅在光信号处理、光通信等领域的应用 特点，获得实现光信号处理的新机理和新方法，探索开发出新型的- 、灵活受控的 多功能光子器件具有现实意义【2 1 1 。 6 第一章绪论 磁光效应( m a g n e t - o p t i c a le f f e c t ，m o e ) 2 2 】是指在磁场作用下，磁性材料物质由 于其原子或者离子具有固定的磁矩而产生磁感应现象，导致磁矩有序排列，进而 影响到光在磁性材料内部的传播特性的现象。例如，在磁性材料中传播的一束线 偏振光，在其传播方向上加强磁场，会导致入射光的振动面发生旋转，这种现象 被成为磁致旋光效应现象，即是磁光效应产生的作用。 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ，p c ) 是在空间周期内，由金属或电介质结构单元排 列构成的新型光学微结构材料，最根本特征是光子带隙( p h o t o n i cb a n dg a p ，p b g ) 的存在，在p b g 内在某些方向上的传播的电磁波是被禁止的【2 3 】【2 4 1 。 磁光子晶体( m p c ) 是指引入的缺陷为磁性材料或由磁性材料参与形成周期结 构的光子晶体( p c ) ，它具有很多十分特殊的磁光特性【2 5 】【2 6 1 。其中，磁光介质与电 介质材料在一维方向上呈周期性排列的光子晶体结构被称为一维磁光子晶体 ( 1 d m p c ) ，它的透射光谱特性在可调梳状滤波方面具有潜在的应用前景【2 7 】。 可令一维磁光子晶体( 1 d m p c ) 是由非磁性材料层( n ) 和磁性材料层( m ) 堆叠 构成的，用公式例删口o r n ) 6 ( m n ) z 来表示该结构【2 引，其中口，b ，z 为重复数。 图1 5 给出了磁化强度尥对1 d 。m p c 结构d 蚴加m 例聊 似删加的透射 光谱影响1 2 。 暑 + 蚕 + 歪 篓 至 。 霎 罡 w a v e l e n g t h ( n m ， 图1 5 磁化强度 众对似坳7 伽7 7 坳7 7 p 饥9 加透射光谱的影响【2 7 】 由图1 5 可以直观的看出，通过改变磁化强度尥，可同时对三个波长信道的 归零码型信号( 相同速率) 进行精确的时钟提取( 参见必= 6 5m 加的曲线) ，或 7 电子科技大学硕士学位论文 者实现六个通道的可调梳状滤波( 参见尥= 6 5 枷砌的曲线) 。可以通过对这些参 数的调节来控制透射光谱的形状，进而实现其可调梳状滤波的功能。因此，可得 出结论：一维磁光子晶体的可调梳状滤波特性可以采用滤波法原理提取光时钟信 号，即进行光信号处理。 磁光光纤光栅是一类具有光纤波导结构的磁光光栅总称。磁光光纤布拉格光 栅( m f b g ) 例【3 0 】是在拉制的钇铁石榴石( y t t r i u mi r o ng a r n e t 。y i g ) y 饼t 3 1 】上写入 布拉格光栅或在光纤布拉格光栅中掺入稀土元素的方法获得的光纤结构。在 m f b g 中，磁光效应会导致偏振面的旋转( 偏振模式转换) ，通过外加磁场调节可 以改变磁光耦合参量。 1 9 9 7 年，j l a r c e - d i e g 等做了利用磁场实现光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g g g r a t i n g ，f b g ) n - - i g j 滤波的可能性分析例【3 2 j ，但没有说明磁光效应对f b g 光子带隙 的影响，更没有指出实现可调梳状滤波的特性，这些信息可由非线性耦合模方程 分析得到【3 0 1 。 本论文利用磁光效应的可调偏置作用控制m f b g 光子带隙、实现梳状滤波功 能、进而完成时钟提取的新方案。 1 4 本论文的主要研究内容和全文章节安排 本课题的相关工作来源于国家8 6 3 项目“基于智能光导结构的全光3 r 再生技 术研究 和新世纪优秀人才计划。在研究大量的相关中英文文献的基础上，展开 了对全光3 r 再生器关键技术之一的光时钟提取技术的研究，重点开展“基于磁光 光栅的光时钟提取”方案的研究工作。 由于光纤波导结构种类繁多，且它们产生的机理均是通过调节外加磁场，影 响磁光耦合参量，进而改变光的传播特性。因此，本论文的研究对象选取新型磁 光材料器件磁光光纤布拉格光栅。主要内容是研究和分析了它所具有的特性， 在此基础上提出其在全光信号处理领域的应用，并实现了速率为4 0 g b p s 的归零码 数据光信号的全光时钟提取仿真。 全文由五章组成，具体章节安排如下： 第一章为绪论部分，概述了全光信号处理技术的研究意义，阐述了磁光光栅 及梳状滤波特性在时钟提取技术方面的应用。 8 第一章绪论 第二章研究了磁光光栅的可调梳状滤波特性。分别研究了磁光光纤布拉格光 栅的梳状滤波特性、可调特性及其磁控特性。 第三章是磁光光栅滤波器的抖动性能研究。分析了采用滤波法产生抖动的原 因，并研究了法布里一珀罗滤波器及磁光光栅滤波器的抖动性能。 第四章是磁光光栅滤波器的全光时钟提取应用。构造了磁光光栅梳状滤波器， 在o p t i s y s t e m6 0 和m a t l a b 平台进行仿真，选取最优化的磁光耦合参量，实现速 率为4 0 g b p s 归零码型数据光信号的全光时钟提取仿真；对该平台的性能进行分析 与讨论：并指出m f b g 的优缺点。 第五章为全文总结与展望。 9 屯子科技大学硕士学位论文 第二章磁光光栅的可调梳状滤波特性 磁光光栅是一类具有磁光效应的光栅波导结构，主要有m p c 、m f b g 等。由 于光纤波导结构种类繁多，且它们产生的机理均是通过调节k i - ；自n 磁场，影响磁光 耦合参量，进而改变光的传播特性。因此，本文就选取了具有代表性的m f b g 进 行研究，从而窥视磁光光栅这类光栅波导结果的可调梳状滤波特性。 本章在分析了m f b g 理论模型的基础卜，并根据耦合模理论研究了m f b g 的 可调梳状滤波特性及磁控特性。 2i 磁光光纤布拉格光栅理论模型 磁光光栅是一类具有磁光效应的光栅波导结构，具有比传统光栅更加丰富的光 信号处理功能。在外加磁场作用下的磁光光纤布拉格光栅中，磁光法拉第效应会 导致i 司一传播方向的导波光之间会发生偏振模式转换，从而实现偏振模式转换的 控制或光学偏置；另一方面，光纤布拉格光栅作用是使同一偏振、不同传播方向 的导波光发生耦合。因此，考虑连续波输入磁光光纤布拉格光栅的情形，存在着 四种导波光在磁光光纤布拉格光栅中传输，理论模型见图2 - 1 。 + 弋j r 七弋抖j + + _ f _ 十厂_ + 一一， 图2 - 1 线偏振光在碰光光纤布拉格光栅中传输的理论模型 第二章磁光光栅的可调梳状滤波特性 磁光效应引入传统的光纤布拉格光栅中光的传输方程。忽略损耗及非线性效 应，只考虑光纤光栅、磁光法拉第效应等对附加介电系数张量的贡献，由微扰波 动方程可得线偏振光在磁光光纤布拉格光栅中的耦合模方程【2 9 】【3 0 】为： 式中各参数项为： 丝霉：+ + 瑟 ”。 ( 1 ) = 霹憾) 秽k f ) 表示色散项，霹垤) = 一吐砉雕署嘉一；秽 ， 示”阶色散参数，够= 修( c o o ) 一孱= ( 一) 万c ，= 尾c 历。 ( 2 1 ) 厦0 表 ( 2 ) 毛= b 矽5 ( z ，f ) 表示光栅褐拿项，光栅耦合参量2 氏万- o ，a n i 表示一 。簪： 阶光纤光栅折射率微扰变化，岛表示真空中的光栅稽播常数。 ( 3 ) = b 嘞秽( z ，d 表示磁光耦合项，其中，磁光耦合系数嘞5 诱k o 铝， 锣= 嘤 = i f , m 。：，z 表示一级磁光系数，m o ：表示z 轴的磁化强度分量。 考虑线偏振光在磁光光纤布拉格光栅中的耦合模方程，即式( 2 1 ) 的求解过 程。此时定义 a ( z ，f ) = 鬈 4 疋 巧 = a ( z ) e 一m 其中q = 国一，0 9 0 表示光载波的参考功率，则式( 2 1 ) 可简化为： a o z 鬈( z ) ll i 万 4 ( z ) ii ( z ) i - - i - i 巧( z ) j 【- o k i 万 o l 唯 1 0 - i 万 一k ” o 1 k k i 万 彩 4 巧 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，表示光栅耦合参量，= k o a n 。 0 ，啊表示一阶光纤光栅折射率微扰 变化，表示真空中的光栅传播常数：万表示入射光波波长与布拉格波长的失谐 电子科技大学硕士学位论文 因子，万= 一) 万c 表示磁光耦合参量，h2 南每：，彳表示一级磁光 系数，m 。：表示z 轴的磁化强度分量，g = ，1 2 。 光栅前端z = 0 是光的入射端口，此时边界条件为： a ( o ) = 以，么( l ) = 0 用本征波的叠加形式表示复包络，得到 彳( z ) = e 口睁 j 其中，q 表示系数向量。将式( 2 5 ) 代入式( 2 3 ) ， 件下，本征传播常数吼有四个本征值为 乃等扣五了乏 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 在忽略了损耗影响的条 同时，再利用边界条件式( 2 4 ) ，可得透射光和反射光的复振幅分别为： 舛) = 掣q + 掣e 舛h 掣+ ( 。) = 掣( 一，) + 掣( 霹一，) 们h 毯掣( e - 1 ) + i 掣( 霹_ ) ( 2 。6 ) ( 2 7 ) 其中， g = ( 万) 2 一 ， e = e x p ( i q l ) ， 乓= e x p ( i q + l ) ， 文= ( 万+ + g + ) 一( 万+ 一g + ) e ，篷= ( 万一k + 乳) 一( j 一一吼) 霹。 此处，研究只有一个线偏振光入射的情况，可设边界条件为4 = 1 ， 4 ( o ) = o ，进行仿真计算时，m f b g 的相关参数取值见表2 1 所示。对上述式子进 行数值计算，得到m f b g 模式转换光光谱信息如图2 2 所示，图中表示在磁光光 纤布拉格光栅中传输的四种导波光各自的传递功率谱函数。 1 2 第二章磁光光栅的可调梳状滤波特性 表2 - 1m f b g 的相关参数取值 参量符号 一 数值单位 平均折射率 一 1 5刀 布拉格波长 a b 1 5 5 0啪 光栅长度 1 6 c i i l 一级磁光系数 l 2 8 8 1 0 。8 ( a m ) 1 外加磁场强度m 0 3 5 ( 4 ) ka m ；1 r j1 w a v e l e n g t h m ( b ) ( d ) 图2 - 2 线偏振光在磁光光纤布拉格光栅中的模式转换光光谱图，( a ) ( b ) 透射光谱图，( c ) ( d ) 反 射光谱图 由上图例可以直观的看出：发生偏振模转换的m f b g 导波光的功率谱传递 函数谱线具有一对关于布拉格波长对称的尖锐线状谱线，即有透射窗口的存在， 且在透射窗口的两边旁瓣几乎是没有的。这对尖锐谱线的位置和强度与磁光耦合 1 3 电子科技大学硕士学位论文 参量有着密切的关系，这样，我们可以通过调节外加磁场来控制尖锐谱线的位 。置和强度，从而，将磁场的信息变换为光谱的信息。 可以得到结论：m f b g 的这个特性可以采用滤波法原理提取光时钟信号。 2 2 磁光光纤布拉格光栅的可调梳状滤波特性 光子晶体的许多光学参量均具有可控特性，如色散、双折射、非线性和光子 带隙等。由于这一特性导致越来越多的基于光子晶体的光子器件被开发，并广泛 应用于光信号处理、光通信系统以及光学传感等领域。【3 习因而，对光子晶体器件 性能的研究，也受到了广泛的关注。 本节研究光的偏振态的改变对光子器件( 磁光光纤布拉格光栅) 性能的影响。 目前，改变光的偏振态的常用方法是采用电光、磁光、声光等多种传统光学方法 可对光的偏振态进行转换。在光纤布拉格光栅中掺入稀土元素或在拉制的y i g 光 纤上写入光栅的方法获得的结构，称为磁光光纤布拉格光栅，可通过改变外加磁 场的方式，即采用磁光的方法控制偏振光的耦合转换，进而研究磁光光纤布拉格 光栅的可控等性能。 在外加磁场作用下，水平射入m f b g 的线偏振光由于磁光法拉第效应而发生 偏振模式转换，导致在m f b g 垂直方向上的模式转换光的反射光谱中存在两条关 于布拉格波长对称的尖锐线状谱，可利用该谱线实现滤波功能。由于尖锐谱线的 位置和透射窗1 2 1 大小与磁光耦合参量k 密切相关： = 助 ( 2 8 ) 其中y 和b 分别表示费尔德常数和磁场强度。因此，夕l - ) j n 磁场对m f b g 滤波器的 可控特性，可通过研究磁光耦合参量k 对m f b g 滤波特性的影响加以分析。 m f b g 是一种具有磁光效应的光栅波导结构，具有比传统光栅更加丰富的光 信息处理功能。外加磁场作用下，法拉第效应使m f b g 中同一传播方向上( z 轴) 的导波光发生偏振模式转换，导致m f b g 中存在与输入光同偏振伍轴) 和发生偏振 模转换轴) 的相互正交的两束透射导波光以及两束反射导波光。m f b g 存在的4 种导波光中，我们感兴趣的是发生偏振模转换的反射导波光( y 偏振反射导波光) ， 根据磁光耦合模理论，其复振幅可表示为： 1 4 第二章磁光光栅的可调梳状滤波特性 r ， k 巧( o ) = _ 彳2 s ( 一1 ) ( 4 ，+ 讧，l + 2 s ( e 一1 ) ( 4 z 一魄，) ( 2 - 9 ) 其中t = ( 万+ + g + ) 一( 万+ 一吼) ，篷= ( 万一+ g 一) 一( 万一匕一g 一) ， e = e x p ( i q _ l ) ，e p = e x p ( i q + 三) ， 吼= ( 万匕) 2 一， 光栅耦合参量 = k o s n 0 ，失谐因子艿= ( 国一) c ，彳阶a 砂分别为入射光在工轴和y 轴 方向上的复振幅。 m f b g 参数设置见表2 1 数据。对于只有一个线偏振光入射的情形，设边界条 件为4 ，= 1 和4 ，= 0 。 根据磁光耦合参量k 的定义，可得 砀2 等心：( 2 - 1 0 ) 其中，m o ；的取值范i 羽( 0 - 1 8 0 0 ) ( 4 u ) k m m ，由式( 2 1 0 ) ，可知同坂：存在着 正比的关系，确定的取值范围为0 , - - 5 5 7 4m 。因此，改变多, l - ；0 n 磁场坂，大小， 可调节磁光耦合参量k 。，对k 进行定性的判断，多次的仿真，r 。取不同值时所 得4 ( 0 ) 的反射率尺，如图2 3 所示。 由图2 3 ，可以先定性的将k 对凰的功率谱的影响分成如下四个阶