啁啾光纤布里渊动态光栅的机理和特性研究

To address the request for continuously adjustable delay of signals in the field of microwave photonics, a novel idea of chirped Brillouin dynamic grating based on fiber birefringence gradient is proposed, aiming at providing a new type of delaying grating that can be flexible controlled for all-optical processing of microwave signals. Based on the technique of stimulated Brillouin scattering, the main contents of the project are as follows: (1) The generation and evolution process of the chirped Brillouin dynamic grating will be theoretically modeled and numerically simulated, based on which the generation mechanism, evolution process and the relationship between grating excitation efficiency and parameters of the pump waves will be analyzed, and the pumping condition will be optimized. (2) The theory and method of achieving a birefringence gradient via a temperature gradient in a high- birefringence photonic crystal fiber filled with liquid will be investigated through finite element analysis, and the mode field distribution and birefringence characteristics of the photonic crystal fiber with different kinds of liquid or selective filling modes will be analyzed. (3) The condition for uniform excitation of gratings will be studied, and reflection spectrum of the chirped Brillouin dynamic grating at different filling conditions will be experimentally measured and characterized. The studies of this project will provide a novel solution for realizing all- optical processing of microwave signals in the field of microwave photonics, therefore they will be of great scientific importance and application significance for dispersion compensation of optically carried radio-frequency signals, microwave photonic phase shifter and filter, etc.

本项目针对微波光子学领域对于信号延时连续可调的需求，提出一种全新的基于光纤双折射梯度的啁啾布里渊动态光栅的思想，旨在为微波信号的全光处理提供一种参数灵活可控的新型延时光栅。项目以光纤受激布里渊散射技术为基础，主要研究内容包括：（1）对啁啾布里渊动态光栅的产生和演化过程进行理论建模和数值模拟，分析其产生机理、演化规律以及激发效率与泵浦参数之间的内在联系，优化泵浦条件；（2）通过有限元分析方法研究利用温度梯度在液体填充的高双折射光子晶体光纤中产生双折射梯度的方法，分析不同填充液体和选择性填充模式下光子晶体光纤的模场分布和双折射特性；（3）研究均匀激发光栅的条件，对不同状态下激发的啁啾布里渊动态光栅进行实验测量和特性对比分析。 本项目的研究将为微波光子学领域实现微波信号的全光处理提供一种全新的解决方案，对于实现光载射频信号的色散补偿、微波光子移相器和滤波器等具有重要的科学意义和应用价值。

布里渊动态光栅是由两束对向传输的泵浦光在光纤中发生受激布里渊散射相互作用过程中产生的超特频声波场，可用于光纤双折射以及温度和应变等参量的分布式测量。本项目提出一种在高双折射光子晶体光纤中激发和探测布里渊动态光栅的方案，通过向光子晶体光纤的空气孔中选择性填充不同液体可以改变光纤的双折射，当沿光纤长度方向施加温度梯度时，由于相对于空气而言液体折射率对温度更为敏感，因此可在光纤长度方向产生双折射梯度，从而产生具有啁啾反射特性的布里渊动态光栅。. 本项目对高双折射光子晶体光纤中布里渊动态光栅的产生机制和特性进行了研究，建立理论模型，对光栅的反射谱进行了数值计算，分析了光栅反射谱特性以及泵浦抽空对布里渊动态光栅的影响；研究了液体填充的高双折射光子晶体光纤的双折射特性，通过理论分析得到了产生大折射率梯度的液体填充方案；在5m长的高双折射光子晶体光纤中实现了布里渊动态光栅的激发和探测。实验测量表明此光纤的双折射分布不均匀，这种不均匀分布导致了布里渊动态光栅反射谱的展宽。实验测得此光纤布里渊频移的温度系数和应变系数分别为1.1495MHz/℃和0.0493MHz/με，双折射频移的应变系数为-0.15 MHz/με，此光纤的双折射频移在-40~5℃范围内与温度成分段线性关系，而在5~80℃温度范围内则没有明显变化，因此可以实现温度不敏感的应变传感。结合布里渊光时域分析技术，实验在5m长的高双折射光子晶体光纤中实现了20cm空间分辨率的分布式温度和应变同时测量。. 此外，在本项目的支持下，我们还拓展完成了以下研究内容：. 基于差分脉冲对-布里渊光时域分析技术的分布式光纤液位传感；. 基于布里渊光时域分析和自相位调制的光纤非线性参数测量。