石英极化光纤制备与特性研究

Nowadays, The devices based on all-fiber, such as phase modulation, high-speed optical switch, optical wavelength transfers, have already become the frontier and hot point of applied basic research in the field of optical fiber technology. It is required that the fiber material possesses second-order nonlinear effects to realize these devices. However, conventional optical fiber material is fused silica with macroscopically inversion center of symmetry and without second-order nonlinear effects. But some experimental researches indicated that it will gain second-order nonlinear effects permanently after thermally poling. So, this project will use the principle of statistical physics and atomic physics to research the formation conditions and mechanism of the second-order nonlinear effects of fused silica and its doped materials in microscopic structure, establishing the corresponding theory analysis model, and manufacture high temperature and strong electric field poling apparatus suitable for drawing technique, in small special fiber drawing machine we have, realizing the integration of optical fiber's wiredrawing and poling of silica poling fiber. We will measure and analysis the second-order nonlinear coefficient of silica poling fiber to verify the theoretical analysis, and explore the distributed sensing characteristics of poling fiber in current, voltage, stress and strain. The research results in this project will have important scientific significance and application values to the development of key components for all optical communication and the distributed optical fiber sensing technology.

全光纤结构的相位调制、高速光开关、光波长转/变换等器件已成为当前光纤技术领域应用基础性研究的前沿热点。这类器件的实现，要求光纤材料具有二阶非线性效应。然而，常规光纤材料为二氧化硅熔融石英，因其材料的宏观中心反演对称性而不存在二阶光学非线性效应。但已有实验研究表明，该材料经高温强电场极化处理后，可具有永久的二阶光学非线性效应。基于此，本项目利用统计物理学与原子物理学原理，从微观结构上，研究二氧化硅熔融石英及其掺杂材料二阶光学非线性的形成条件和机理，建立相应的理论分析模型。在已有的小型特种光纤拉丝机上，研制出适合拉丝工艺的高温强电场极化装置，实现拉丝与极化一体化的石英极化光纤的拉制。测量分析石英极化光纤二阶光学非线性系数，验证理论分析结果。探索研究极化光纤在电流电压和应力应变分布式传感特性。本项目的研究成果将对全光通信中的关键器件和分布式光纤传感技术的发展具有重要的科学意义和应用价值。

全光纤结构的相位调制、高速光开关、光波长转/变换等器件已成为当前光纤技术领域应用基础性研究的前沿热点。这类器件的实现，要求光纤材料具有二阶非线性效应。然而，常规光纤材料为熔石英二氧化硅，因其材料的宏观中心反演对称性而不存在二阶光学非线性效应。但是，已有实验研究表明，熔石英二氧化硅材料经高温强电场极化处理后，可具有永久性的二阶光学非线性效应。基于此，本项目首先从微观结构上研究熔石英二氧化硅二阶光学非线性的形成条件和机理，建立相应的理论计算分析模型，在已有的自行设计制造的小型特种光纤拉丝机上，增设并安置上适合拉丝工艺的强电场极化装置，搭建了拉丝与高温强电场极化一体化的实验平台，实现了石英极化光纤的连续拉制工艺，制备出了长度约1km和损耗小于0.01dB/m的石英极化光纤样品。其次，研究了掺杂元素对熔石英二氧化硅材料微观结构对称性的影响和二阶非线性效应的产生机理，实验制备出了几种掺杂石英光纤，通过研究其在外加电场作用下的光偏振态传输特性，发现掺铌、锰、铌酸锂、铒等元素的石英光纤样品其线偏振光的偏转角θ随外加电场强度的变化明显，而锰锡石英光纤样品则未见变化。由此可见，从掺杂原子外层电子结构角度来分析，由于铌、锰、铌酸锂、铒等掺杂元素与硅原子的外层电子分布不相同，就会破坏熔石英二氧化硅材料微观结构对称性，初步实验结果表明，外加电场作用下该掺杂石英光纤样品会产生电光二阶非线性效应。最后，基于载流子模型，通过有限元数值计算与仿真，分析了特殊几何结构多孔石英光纤中钠离子、锂离子和水氢离子的热极化过程，以及不同条件（温度、电场强度、掺杂离子浓度等）对热极化效果的影响，制备出了四孔热极化石英光纤样品，并测得其在外加电场作用下光偏振态随电场强度的变化传输特性，经计算得到二阶非线性系数最大值为0.33pm/V。本项目的研究成果将对全光通信中的关键器件、全光纤高压大电流传感器和分布式光纤传感技术的发展具有重要的科学意义和应用价值。