光纤热极化的理论和实验研究

热极化石英玻璃光纤在电光开关和调制、二次谐波的产生、频率转换以及光学参量振荡等方面具有重要的应用价值。本项目从理论和实验两方面探索光纤热极化的机理。通过建立并求解光纤热极化的多载流子漂移扩散模型，结合实验，明确极化条件（电压、温度、电极组份等）及光纤参量（几何形状、光纤芯子位置和组份等）对光纤热极化过程的影响，从而揭示光纤热极化过程中二阶非线性的演化规律；研究不同组份、不同几何形状光纤的热极化优化问题，设计新型的基于微结构光纤的优化热极化特种光纤，探索光纤极化的新方法；研究热极化光纤的传输问题，明确二阶非线性的分布与热极化光纤传输特性的关系。阐明光纤热极化的机理对于指导光纤热极化实验有重要的意义，将为热极化光纤在光通信和传感领域的进一步应用奠定基础。

热极化可打破石英玻璃光纤的宏观中心对称性，诱导出二阶非线性效应。热极化光纤目前已应用于全光纤开关，频率转换，传感，纠缠量子对的产生等方面。.本项目建立了光纤热极化多载流子漂移扩散有限元模型，解决了目前二维条件下的光纤热极化缺乏理论指导的问题。应用此模型研究了复杂光纤结构及电极配置下的热极化过程，通过对极化参量、光纤结构参量的优化，获得了最优的热极化诱导二阶非线性效应，为热极化光纤结构设计以及热极化实验提供理论指导。通过对光纤热极化芯包界面阻碍效应的研究，明确了芯包界面阻碍效应的决定因素，研究表明通过增大或减小纤芯的载流子浓度、迁移率，可实现芯包界面阻碍效应的克服或增强，对于增大光纤的二阶非线性系数以及多层纤芯热极化光纤的设计具有重要意义。提出将微结构光纤应用于热极化，微结构光纤的多孔结构可提供多种不同的电极配置，研究表明，提高阳极数量，减小阴极数量可大幅度提高二阶非线性效应，这为提高光纤的二阶非线性效应以及微结构光纤在热极化方面的应用提供了理论基础。通过对热极化光纤传输特性的系统研究，明确了光纤结构、金属电极种类对传输特性的影响，在保证低损耗、高偏振依赖损耗的基础上，获得了优化的热极化光纤。.本项目研制成功了双孔热极化光纤，并实验观察到热极化光纤中耗尽层的分布情况。基于研制的热极化光纤，搭建了Mach-Zehnder干涉仪，首次利用热极化诱导反向电场实现了开关作用。提出了将热极化技术分别应用到双芯光纤耦合器与Bragg光纤光栅，可实现耦合功率、反射功率的调谐。提出了基于热极化光纤环形腔的非平衡Mach-Zehnder光开关，研究表明，与传统的Mach-Zehnder光开关相比，该光开关可成倍的降低所需开关电压。本项目的研究结果为热极化光纤在光通信和全光纤器件领域的进一步应用奠定了基础。