Six-bit all-optical quantization using photonic crystal fiber with soliton self-frequency shift and pre-chirp spectral compression techniques

In this paper, we propose an optical quantization scheme for all-optical analog-to-digital conversion that facilitates photonics integration. A segment of 10-m photonic crystal fiber with a high nonlinear coefficient of 62.8 W-1/kin is utilized to realize large scale soliton self-frequency shift relevant to the power of the sampled optical signal. Furthermore, a 100-m dispersion-increasing fiber is used as the spectral compression module for further resolution enhancement. Simulation results show that 317-nm maximum wavelength shift is realized with 1550-nm initial wavelength and 6-bit quantization resolution is obtained with a subsequent spectral compression process.

Optimizational 6-bit all-optical quantization with soliton self-frequency shift and pre-chirp spectral compression techniques based on photonic crystal fiber

In this paper, we optimize a proposed all-optical quantization scheme based on soliton self-frequency shift(SSFS)and pre-chirp spectral compression techniques. A 10m-long high-nonlinear photonic crystal fiber(PCF) is used as an SSFS medium relevant to the power of the sampled optical pulses. Furthermore, a 10m-long dispersion flattened hybrid cladding hexagonal-octagonal PCF(6/8-PCF) is utilized as a spectral compression medium to further enhance the resolution. Simulation results show that 6-bit quantization resolution is still obtained when a 100m-long dispersion-increasing fiber(DIF)is replaced by a 6/8-PCF in spectral compression module.

Modulation Depth Based on Frequency-shift Characteristic of LiNbO3 Waveguide Electro-optic Intensity Modulator

The modulation depth, defined according to practical modulation results, which changes with the microwave power and its frequency, is significant for systems utilizing the frequency-shift characteristic of the LiNbO3 waveguide Electro-Optic Intensity Modulator （EOIM）. By analyzing the impedance mismatch between the microwave source and the EOIM, the effective voltage applied to the RF port of the EOIM is deprived from the microwave power and its frequency. Associating with analyses of the phase velocity mismatch between the microwave and the optical wave, the theoretical modulation depth has been obtained, which is verified by experimental results. We provide a method to choose the appropriate modulation depth to optimize the desired sideband through proper transmission bias for the system based on the frequency-shift characteristic of the EOIM.

Code synchronization based on lumped time-delay compensation scheme with a linearly chirped fiber Bragg grating in all-optical analog-to-digital conversion

We propose a novel lumped time-delay compensation scheme for all-optical analog-to-digital conversion based on soliton self-frequency shift and optical interconnection techniques. A linearly chirped fiber Bragg grating is optimally designed and used to compensate for the entire time-delays of the quantized pulses precisely. Simulation results show that the compensated coding pulses are well synchronized with a time difference less than 3.3 ps, which can support a maximum sampling rate of 151.52 GSa/s. The proposed scheme can efficiently reduce the structure complexity and cost of all-optical analog-to-digital conversion compared to the previous schemes with multiple optical time-delay lines.

基于Lorentzian模型与伪Voigt模型的谱拟合算法的准确性比较

为了比较基于Lorentzian模型与伪Voigt模型的2种谱拟合算法的准确性,基于布里渊散射的分布式光纤传感原理,首先比较了实测布里渊谱的Lorentzian模型和伪Voigt模型的计算结果,然后通过伪Voigt模型数值生成了具有不同形状和信噪比的布里渊谱,并分别采用基于Lorentzian模型与伪Voigt模型的谱拟合算法计算了布里渊频移。最后,对这2种算法的准确性进行了比较。仿真结果表明,在不同布里渊谱形状和信噪比条件下,基于Lorentzian模型与伪Voigt模型的谱拟合算法的计算准确性相近,但前者的计算量小于后者。

Formulation of Determining the Gravity Potential Difference Using Ultra-High Precise Clocks via Optical Fiber Frequency Transfer Technique

Based on gravity frequency shift effect predicted by general relativity theory, this study discusses an approach for determining the gravity potential(geopotential) difference between arbitrary two points P and Q by remote comparison of two precise optical clocks via optical fiber frequency transfer. After synchronization, by measuring the signal's frequency shift based upon the comparison of bidirectional frequency signals from P and Q oscillators connected with two optical atomic clocks via remote optical fiber frequency transfer technique, the geopotential difference between the two points could be determined, and its accuracy depends on the stabilities of the optical clocks and the frequency transfer comparison technique. Due to the fact that the present stability of optical clocks achieves 1.6×10-18 and the present frequency transfer comparison via optical fiber provides stabilities as high as 10-19 level, this approach is prospective to determine geopotential difference with an equivalent accuracy of 1.5 cm. In addition, since points P and Q are quite arbitrary, this approach may provide an alternative way to determine the geopotential over a continent, and prospective potential to unify a regional height datum system.

面向变压器绕组复合光纤状态监测的BOTDR扫频策略研究

为提高布里渊光时域反射计(BOTDR)在变压器绕组复合光纤状态监测中的准确性,提出了一种BOTDR扫频范围选择策略。该策略通过仿真生成了具有不同信噪比、扫频范围和扫频不对称系数的布里渊谱,并采用伪Voigt模型谱拟合算法来计算布里渊频移;同时,研究了信噪比、扫频范围和扫频不对称系数这3个因素对布里渊频移提取准确性的影响规律。实验结果表明:当扫频范围围绕布里渊频移对称时,误差达到最小;在扫频点数固定的情况下,随着扫频范围的增大,频移误差先减小后增大,当扫频范围比布里渊频移变化幅值大一个线宽时,误差达到最小值。

采场覆岩变形和来压判别的分布式光纤监测模型试验

为了研究煤矿工作面开采过程中,上覆岩层变形规律,将分布式光纤传感技术(BOTDA)应用于三维立体模型试验监测。制作了3 600 mm×2 000 mm×2 000 mm(长×宽×高)三维立体模型同时在模型内部预埋3根垂直光纤,模拟工作面的开采,工作面共开挖60次,累计推进2 400 mm,获得3根分布式光纤的180组布里渊(Brillouin)频移试验数据。提出了分布式光纤频移平均变化度的概念,采用光纤频移来表征采场上覆岩层变形垮落,判别工作面初次来压和周期来压情况;并将其测试结果和内部位移测试结果进行对比。结果表明,光纤频移平均变化度可以反映工作面上覆岩层变形、来压及其变化情况,该方法及其技术推广应用可以为上覆岩层变形信息化提供依据。

基于BOTDR的光纤复合海底电缆应变/温度监测

高压光纤复合海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,日常巡检和状态检测实现难度大,利用分布式光纤应变和温度测量设备对其进行监测十分必要。为此,利用Brillouin光时域反射计(BOTDR)对110 kV光纤复合海底电缆中的复合光纤进行了应变和温度标定实验,比较了不同光纤Brillouin频移的应变/温度系数和初始频移的区别,给出了利用光纤中Brillouin频移分布曲线进行接续点精确定位的方法,对运行中的海缆进行了全面、实时、长期的状态监测和数据分析。结果表明:海缆光单元中不同光纤的Brillouin频移应变/温度系数基本相同,约为0.05 MHz/10-6和1.05 MHz/℃,但初始频移差别较大,变化范围约20 MHz;光路中接续点处的Brillouin频移变化明显,可作为定位依据;利用Brillouin频移监测海缆的应变和温度需结合海底地形、地质、洋流、环境温度、负荷电流等因素。

瑞利布里渊光时域分析系统中电光调制器的理论模型与实验研究

瑞利布里渊光时域分析系统能够以非破坏性方式实现单光源、单端工作,利用强度型电光调制器同时调制脉冲基底和脉冲信号是获得该系统所需连续光和脉冲光的关键技术.本文理论分析、仿真和实验研究了一种将脉冲信号输入到电光调制器偏置端、微波信号输入到电光调制器射频端同时调制脉冲基底和脉冲信号的新调制方法,探讨了电光调制器用于瑞利布里渊光时域分析系统时的最佳工作点问题.结果表明,当调制脉冲基底和脉冲时分别将电光调制器偏置在传输曲线的谷点和峰点,并根据实际系统的组成和性能指标要求选择合适的微波调制信号幅度,可获得满足瑞利布里渊光时域分析系统要求的连续光和脉冲光.本文的研究结果为瑞利布里渊光时域分析系统的最佳化设计提供了理论依据.

基于GRU和XGBoost的矿压显现规律预测

采用光纤传感器监测的光纤频移值对矿压显现规律进行表征的过程中,传感器采集的数据存在缺失现象,无法准确预测矿压显现规律。针对该问题,以千秋煤矿为工程背景,在假设光纤下半部分数据丢失的前提下,引入GRU(门控循环单元)和LSTM(长短期记忆网络)2种预测模型,对缺失的光纤频移值进行对比预测,得出GRU模型的收敛速度优于LSTM模型的收敛速度,说明基于GRU模型的缺失值处理方法较优。将原始完整的光纤频移值转换为可表征矿压显现位置的光纤平均频移变化度,引入XGBoost(极端梯度提升)模型和BP神经网络模型进行对比预测,XGBoost模型能准确预测出测试集中所有出现“尖峰”的位置,而BP神经网络模型只预测出2处“尖峰”位置,说明XGBoost模型的预测效果优于BP神经网络模型的预测效果。将预测出的光纤频移缺失值替换至缺失位置,形成“完整”光纤频移值数据,将该数据转换为光纤平均频移变化度后,采用XGBoost模型进行预测。验证结果表明:LSTM模型及GRU模型均可准确预测出光纤下半部分的数据,且GRU模型准确性较LSTM模型准确性高;使用XGBoost可准确预测出测试集中出现的周期来压;通过GRU模型预测出的缺失数据经整合至缺失位置后,使用XGBoost模型仍可进行有效的矿压预测。

基于分布式光纤技术的采动影响下覆岩变形演化规律试验研究

为了解决在实际工程中岩层变形难以用常规测试方法进行监测的问题,采用分布式光纤传感技术的布里渊频域分析技术(BOFDA)和布里渊频移(BFS)分析技术,根据现场的煤层采动过程,在试验室建立4200 mm×250 mm×1600 mm(长×宽×高)的采场覆岩模型,通过预埋于模型内部的4条水平传感光纤和5条垂直传感光纤,对模型开挖过程中的覆岩变形特征进行测试。将光纤测试结果与近景摄影数字图像处理技术获得的岩层位移进行对比,揭示了光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系,获得了基于光纤频移值的两带发育、演化范围的表征方法。研究表明,使用BOFDA分布式光纤技术监测采动覆岩活动特征与矿压显现规律是可行的,试验结果为分布式光纤测试技术在现场监测煤矿上覆岩层"两带"变形提供了理论依据与试验保障。

溶液浓度对拉曼光谱线宽和频移影响的实验研究

将液芯光纤技术用于傅里叶变换拉曼光谱测量中 ,提高拉曼光谱强度 1 0 2 ～ 1 0 4倍 .应用该技术 ,在实验上研究了溶液浓度变化对 β-carotene,rhodamine在 CS2 中的 C C键 π-π*跃迁拉曼线频移和线宽的影响 .实验结果表明 ,随着浓度降低 ( 1× 1 0 - 7～ 1× 1 0 - 1 2 mol/L) ,拉曼光谱线峰值发生红移 ,线宽变窄 .

利用双晶体实现的低频保偏光纤声光移频器

该文介绍了一种低频保偏光纤声光移频器的设计、制作、性能参数及典型应用。采用双晶体反向级联设计,将两片晶体工作频率的差值作为器件的移频频率,避免了单片声光晶体难以实现低频声光移频的问题。样品获得的性能参数为:工作波长1 053nm,移频频率10 MHz,插入损耗3.3dB,光上升时间33ns,输出偏振态线偏振。

基于布里渊放大结构的分布式光纤温度传感技术的研究

阐述了一种基于布里渊放大结构的分布式光纤温度传感技术，该技术利用了光纤中布里渊频移与温度的依赖关系．本文从传感光纤的结构特点和材料的物性系数出发，在理论上证明了光纤温度与布里渊频移量之间存在线性关系．基于此传感技术建立了一实验系统。

GSM-R光纤直放站中射频光收发模块设计

对铁路GSM-R标准的光纤直放站中的射频光收发模块进行了设计、制造和测试.光发射部分的设计采用自动功率控制(APC)技术实现激光器功率的稳定输出,光接收部分采用冗余备份设计实现模块的高可靠性.测试结果表明,该模块光反射损耗小于-45 dB,接收时延低于60 ns.带外抑制和带内波动分别大于30 dB和小于0.5 dB,输入输出驻波比小于1.3.射频输出增益调节精度为1 dB,调节范围高达25 dB以上.同时,模块底噪声小于132 dBm/Hz,三阶互调达到-60 dBc以下.此外,模块提供了很好的告警和检测等功能.因此,该模块具有优异的射频光收发特性.模块最终在铁路GSM-R直放站中进行了实测,结果表明完全达到铁路设计要求.

巨厚砾岩层下采场支承压力分布的理论及试验研究

巨厚砾岩层下的采场围岩极易形成应力集中而引发巷道失稳,其倾向支承压力分布规律是该问题的核心。文中通过建立采场倾向支承压力理论模型,对巨厚砾岩层下采场倾向支承压力进行了理论计算。随后搭建了巨厚砾岩层下采场三维物理相似模型,将分布式光纤技术用于模型试验采场支承压力测试,并对比研究了模型开挖过程中支承压力与光纤测试Brillouin频移之间的关系。结果表明,巨厚砾岩下倾向采动支承压力分布具有峰值大和影响范围大的特点,理论计算支承压力峰值为35 MPa,影响范围约200 m;模型试验光纤测试曲线表明支承压力分布规律为从不变→增大→峰值→减小→不变的变化趋势,光纤测试结果与理论计算一致,通过光纤频移变化可以反映倾向支承压力的变化规律,为采场倾向支承压力监测提供了新的研究手段。

用重叠四步平均算法测量光纤连接器端面的曲率半径

曲率半径(ROC)是光纤连接器端面三个最重要的控制参数之一。介绍了测量该曲率半径的一种算法:重叠四步平均法(OAF)。对算法过程中涉及的被测波面相位主值计算及表面面形重构等方面作了理论分析,给出了模拟结果。分析了移相器位移误差对曲率半径测量的影响,给出了ROC误差与移相器位移误差关系的曲面图,并对四步平均法和OAF算法产生的ROC误差作了比较。结果表明:在有移相器位移误差情况下,OAF算法优于四步平均法,且在普通的标定误差≤5%和非线性误差≤5%所构成的移相器位移误差范围内,由OAF算法产生的光纤连接器端面ROC测量误差<7.2×10-5。

PSA平均光孤子系统传输性能的研究

本文采用计算机系统仿真的方法,研究了应用相敏光放大器(PSA)作为在线放大器的采用平均孤子传输方案的光孤子通信系统中,泵浦光与信号光之间的相位漂移、光纤色散对光孤子通信系统传输性能的影响。仿真的结果表明:泵浦光与信号光之间的相位漂移将导致孤子幅度的下降;由于PSA增益的相敏特性,光纤色散导致孤子脉冲主瓣幅度下降,脉宽展宽,出现旁瓣。

基于频移干涉光纤腔衰荡技术的甲烷传感系统

煤矿事故严重威胁人们的生命和财产安全,瓦斯作为煤矿事故的罪魁祸首,其主要成分是甲烷。因此,选择一种性能优良并且能够实时探测甲烷浓度的气体传感器对安全生产和检测大气环境是十分有意义的。在众多气体传感器中,光纤气体传感器由于容量大、损耗小、体积小、抗腐蚀、抗干扰能力强等优势受到学者和仪器制造商的青睐。本文对比了几种光纤气体传感器,基于光谱吸收技术的光纤气体传感器体积小、成本低、功耗小,其使用最为广泛。在光谱吸收技术的基础上,发展了一种高灵敏度的探测技术,腔衰荡CRD(Cavity Ring-Down)技术。相比于普通的光谱吸收技术,其吸收光程长,灵敏度高出3个～4个数量级,并且对光源强度稳定性要求不高。但是,为了有效、实时地探测到衰荡信号,该技术对探测器的速度要求极高。本文研究的频移干涉腔衰荡FSI-CRD(Frequency-Shifted Interferometry Cavity Ring-Down)技术,通过将腔衰荡技术结合频移干涉技术,构建了频移干涉腔衰荡甲烷传感系统,实现了衰荡信号从时间域到频域的转换,降低了对探测设备的要求,并通过实验验证了该系统可以用于甲烷气体浓度的测量。