可调谐半导体激光器快速波长切换机理与新结构研究

本项目以新颖光切换网络与系统为应用方向，以单片集成的宽范围可调谐半导体激光器为研究对象，将器件波长切换瞬态特性的物理研究与器件研制紧密结合、共同实施。通过拟建立的数学模型从理论上分析器件的静态和动态特性，特别是切换瞬态的谱特性，揭示波长切换的物理机理，并用以辅助和指导实际研发中的器件设计和制备；通过实验手段对研发的器件进行特性测试和分析，探索和印证器件实现快速、可靠波长切换的限制因素；为进一步开发出高性能的可调谐半导体激光器奠定先进的理论分析、实验测试和器件制备的基础。具有快速波长切换能力的宽范围可调谐半导体激光器在下一代波分复用光网络中光包交换、光突发交换、动态波长路由等方面有重要的应用价值。

光交换速度和光交换规模是研究大容量矩阵的两个非常重要因素，也制约了网络发展的进程，本项目主要从交换速度、插入损耗、选择波长的稳定性三个因素出发，分别在波导新结构和数字波长选择耦合新机制中涉及的基本理论模型与设计、实现工艺等方面开展探索探究，围绕少模传输波导新结构设计中的基础理论和数字波长选择性耦合增强两个关键问题，分别开展少模长周期光栅和闪耀布拉格光栅以及长腔微环三种波长选择耦合结构的研究，利用电光聚合物的双重特性，即热光特性调节光学折射率使工作波长设定于单一数字波长，电光特性高速控制与调制光学折射率实现快速开关或调制功能，并借助于商业可获得的材料与多种成熟传统制作工艺（导波圆芯的腐蚀或拉伸工艺、包层sol-gel旋涂工艺）的研究，实现大开关比或深度调制，甚至开发具有可开关的调制器等多功能新型光器件，为未来光突发包的上下路和调制解调一体化带来便利，可以扩大交换矩阵规模，降低网络节点成本。

颗粒调谐质量阻尼系统是对颗粒阻尼和调谐质量阻尼有机结合的新型阻尼系统，既能有效拓宽调谐质量阻尼的减振频带、提高减振效率和耐久性，又为颗粒阻尼的结构工程应用提供了实现途径。本课题通过振动台试验、风洞模型试验、数值分析以及参数优化对颗粒调谐质量阻尼系统的减振机理及应用于建筑结构振动控制的效果进行了研究，揭示了其工作机理和物理本质。五层钢框架的对比试验表明在不同地震作用下，颗粒调谐质量阻尼系统均能达到较好的减震效果，其中在上海人工波作用下的减震效果最好（均方根位移与加速度响应减震率分别达到72.17%与70.99%）；另外，合理的参数选取更有利于发挥颗粒调谐质量阻尼系统的性能，开展了附加颗粒调谐质量阻尼系统的气弹风洞试验（缩尺比为1：200），试验研究表明颗粒调谐质量阻尼系统对高层建筑风致振动响应有良好的减振控制效果，控制合理的颗粒密度、增加颗粒数量、加剧颗粒之间的碰撞等均可以提高其减振效果；基于多颗粒等效原则建立颗粒调谐质量阻尼器的数值模型，数值模拟结果与试验结果整体吻合较好，峰值加速度吻合较好，而均方根加速度也可以将误差控制在可接受的范围内；通过微分演化算法对颗粒调谐质量阻尼系统进行了全局优化，相比于传统设计，优化设计的减振率提高了约50%；最后，提出合理的实用设计方法，明确相应的核心技术、设计流程、构造、制作、安装和测试要求，并用于指导工程实践。本课题展示了颗粒调谐质量阻尼系统在土木工程应用的巨大前景，为土木结构振动控制的发展提供了另一种有效的途径，具有重要的理论意义和工程应用价值。