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
目 录
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
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
2
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
相关。
2001年，澳大利亚新南威尔士大学教授John Webb领导的研究组利用设在美国
夏威夷的世界最大天文望远镜观察分析某些类星体后发现，宇宙诞生以来光速有
轻微的变化[3]。实验观测了17个可能伴有黑洞的高亮度类星体，通过光谱分析得出：
亿万年前的精细结构常数（它与光速密切相关）比现在小1%。若该研究成果获得
确认，Einstein的光速恒定不变的理论就错了，粒子物理中的标准模型亦需修正。
近几年来，极慢光速的研究工作也取得了一些重要结果。其中以 1999 年2月
《自然》（Nature）发表的“Light speed reduction to 17 metres per second in a ultracold
atomic gas”最为著名[4]。L.V.Hau 等人在超冷钠原子气体中，利用电磁感应透明
（EIT）技术得到了
17 /
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的光脉冲群速度。进入 2001 年后，极慢光速研究
又有新突破，Phys.Rev.Lett.杂志上，连续发表两篇文章表明，科学家目前可以把光
速减为零，也就是说，可以使光停止并储存起来。
Bragg 光栅方向：
1978 年K.O.Hill 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只 Bragg 光
栅[5]， 经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前
景。随着 Bragg 光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅
相继问世，Bragg 光栅某些应用已达到商用化程度。应用成果日益增多，主要表现
在：
(1) 掺杂光纤光敏性的机理研究虽然没有统一的权威性定论，但也提出了各种
模型进行解释，氢载技术的应用，大大提高了光纤的光敏特性，使 Bragg 光栅写
入过程中的折射率变化量提高了 1～2个数量级，达到 10-3，写入光栅时的曝光时
间大大缩短。
(2) 相位掩模方法的应用，提高了成栅的效率，同时提高了光栅的质量，也更
客易实现计算对各种功能性器件的设计，出现了各种各样的近于实用化的性能各
异的功能性器件。并且 Bragg 光栅技术向更广，更深入，更成熟的方向得到发展。
2000 年，Lin 等人观察并且研究了连续激光通过写有一维体相位光栅的铌酸锂
光折变晶体后的群速度减小现象。这一实验是首次在室温条件下的固体介质中实
第一章 绪论
3
现了光速减慢，是慢光研究的一大突破，这也暗示着光速减慢研究的不断深入和
发展。
§1.3 论文中心内容
本论文的工作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”。为了适配该项目，先分析了光波导等效光速调制系统的基本原
理：光速定义，光速调制和实现方法，Bragg光栅的应用，差拍干涉等。并对系统
中各类相关参数进行推导，并参照Matlab模拟系统和实验结果，对系统内光速调制
的实现方法进行讨论并尝试在传感测量方面的扩展应用。论文中主要完成的工作
如下：
(1) 通过分析光在自由空间、色散介质和导波中的传播行为，总结出光在不同
条件下的传输特性，得到了对光速进行调制的条件：一种是在色散介质中，强烈
的正常色散导致光速减慢，强烈的反常色散导致超光速现象；另一种是在波导中，
利用波导材料的电磁性质和几何结构对光速调制起不同的作用。
(2) 经过对光波传播特性的分析，得出光速异常传播必须在大的色散介质中才
能实现。而对一般的介质来说，大的色散往往伴随着强烈的吸收，实际上不存在
有色散而无耗散的介质，为了实现光速减慢或者超光速，必须在保证强烈色散的
同时抑制介质对光的吸收。这就要求提供一种特殊的介质满足该条件，或者找到
一种方法实现强烈色散而不导致介质对光的吸收。其中电磁诱导透明原理正可以
充分满足这一要求。
(3) 在理论分析的基础上，结合基金项目提出周期结构介质中的受控等效光速
调制原理，并根据该原理设计了实验光路、使用Matlab软件进行了数值模拟、构建
了相关的实验，对光波相位的变化进行了验证。
本论文的结构为：第一章为绪论，概述了有关光速调制研究的发展历史和现
状，简单阐述对光波导受控信号传送方法的研究。第二章通过对光速定义，分析
了光在传输中相速度、群速度区别与联系，以及一般实现光速调制的原理。第三
章和第四章分别对光速上调制和光速下调制的各种方法进行分析。第五章对Bragg
光栅的原理和应用进行阐述。第六章分析了有关拍频光的形成方法并且对拍频光
信号的群速度进行推导。第七章是系统部分，基于前几章的分析内容，讲解了系
统的主要结构和实现等效光速调制的原理，通过Matlab软件对系统进行模拟，并结
合实验结果和模拟结果对系统展开讨论。第八章讲述了基于光波导受控信号传送
方法的两种实际应用，并通过进行模拟和实验分析系统的工作情况。第九章是结
摘要：

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...

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