基于双芯掺铒光纤耦合器的新型高效多信道全光时间微分器的研究

As one of the fundamental building blocks of all-optical information processing system, the photonic temporal differentiator has attracted much attention and became a research hotspot. Several implementation methods are proposed in past years. A novel photonic differentiation scheme based on the twin-core Erbium-doped fiber coupler is proposed in the program, which has advantages of simplicity, stability, high power efficiency, and Multi-channel parallel processing. Firstly, the working principle of the twin-core Erbium-doped fiber coupler and its differentiation characteristics is investigated by using the coupled-mode theory and rate equations theory of the EDFA. Theoretical model of the photonic differentiator based on the coupler is built up. The operating bandwidth, processing error and energetic efficiency of the photonic differentiator based on the twin-core Erbium-doped fiber are analyzed combined with numerical analysis. Also the effect of fiber parameters is analyzed. Secondly, Twin-core Erbium-doped fiber is designed and fabricated by using the MCVD technology. At last, the experimental setup is built up for the testing of the differential characteristic of the twin-core Erbium-doped fiber coupler, and results are analyzed. The design and fabrication technology of the fiber, devices and system will be improved according to the experimental results.

全光时间微分器作为未来全光信号处理系统的基本组成模块之一，近年来吸引了众多研究者的目光，竞现出多种实现方案。本项目在对已有方案进行研究分析的基础上，提出基于双芯掺铒光纤耦合器的新的全光时间微分器实现方案，具有结构简单、性能稳定、能量效率高、易于实现多信道并行处理等优点。首先，结合耦合模理论和掺铒光纤放大器的速率方程，深入研究分析双芯掺铒光纤耦合器的工作机理，揭示其时间微分特性的理论依据，建立理论模型；结合数值仿真，研究其工作带宽、处理误差、能量效率等特性参数和影响因素。然后，根据目标微分器要求，结合掺铒光纤和双芯光纤制造技术，利用MCVD法，研制所需参数的双芯掺铒光纤，进而制作所需的双芯掺铒光纤耦合器，并对其进行性能测试和优化设计。最后设计搭建时间微分器测试系统，对双芯掺铒光纤耦合器的时间微分特性进行测试和分析，根据实验结果研究光纤、器件和系统的优化设计和工艺改进。

全光时间微分器作为全光信号处理系统的基本组成模块之一，近年来吸引了众多研究者的目光，竞现出多种实现方案。在现有的实现方案中，耦合器型全光时间微分器以其结构简单、能够提供大处理带宽而被广泛关注。本项目以掺铒双芯光纤耦合器为切入点，对耦合器型全光时间微分器进行了深入的分析和研究，研制了掺铒双芯光纤。项目取得的主要研究成果如下：. （1）将对称和不对称耦合器的全光时间微分特性统一起来，建立了统一的耦合器型全光时间微分器的理论模型。研究结果表明，双芯光纤耦合器两个纤芯之间耦合系数、传输常数差值这两个参数的频率相关性，是基于双芯光纤耦合器的全光时间微分器的工作基础。通过调整这两个参数，可以实现一阶、二阶和分数阶时间微分。. （2）从时域对双芯光纤耦合器的全光时间微分特性进行了分析，指出其全光时间微分特性是双芯光纤模间色散现象的一个特殊情形。在此基础上，提出了“双芯光纤耦合器+色散原件”的新的全光时间微分器实现方案。仿真结果表明，这种结构可以实现分数阶和一阶全光时间微分功能。. （3）基于对称双芯光纤耦合器，设计了16信道的全光时间微分器，信道间隔为100GHz，信道中心频率均按照ITU-T规定的DWDM标准频点设计。. （4）制作了掺铒双芯光纤，具体流程包括：采用MCVD法制作工艺，制作单芯掺铒光纤预制棒；使用实验室数控铣床，将光纤预制棒纵向研磨为D型；将D型光纤预制棒从中间横向切割成两段长度相同的D型光纤预制棒；将截出的两个平面贴合，外面套一根Heraeus石英管，然后在拉丝塔边抽气边拉丝，得到所需的双芯掺铒光纤。. （5）将掺铒双芯光纤与普通单模光纤相连接，制作了掺铒双芯光纤耦合器，获得了掺铒双芯光纤与普通单模光纤熔接的优化参数。. （6）搭建了基于掺铒双芯光纤耦合器和非线性偏振旋转效应的可调谐多波长激光器，实现了1-4个波长的稳定的激光输出，波长数和波长位置均可调节。. （7）搭建了基于掺铒双芯光纤耦合器和非线性光纤环镜的多波长激光器，实现了8个波长的稳定激光输出。