基于硫系玻璃(As2S3)光纤的光敏性及其应用于写Bragg光栅的研究

Chalcogenide glasses (ChGs) possess excellent transparency in infrared region and high optical nonlinear, so their photonic devices have broad application prospects in near- and mid-infrared spectral region. Photosensitivity is one of the phenomena of ChGs, so far it is focused on film samples for studying its characteristics and applications.In ours work, preliminary analysis indicates that there are significant differences about ChGs' Photosensitivity in fiber structure and film structure. Therefore, we propose a project of detailed study on photosensitivity in chalcogenide glass fiber, and then inscription of Bragg grating in chalcogenide glass fiber by this photosensitivity. This project includes: Under side illumination,the lateral distribution of light energy dependence on wavelengths insde As2S3 chalcogenide glass fiber is numerically analyzed; For clarifying their photosensitivity, photoinduced refractive index changes in As2S3-based step index fiber and microfiber are studied by use of Fabry-Perot etalon and whispering gallery mode principle respectively, and then a photoinduced dynamic model is proposed; Inscription of Bragg grating with high reflectivity and good quality spectrum in As2S3 chalcogenide glass fiber is studied using a modified Sagnac interferometer grating writing system, and formation feature of grating in chalcogenide glass fiber is theoretically studied due to the fact that the core and cladding in chalcogenide glass fiber have photosensitivity. These works will further understand the photosensitivity of chalcogenide glass in different body structures, and offer a new idea for preparation of ChGs-based photonic devices.

硫系玻璃具有优良红外透光性和极高光学非线性，其光子器件在近中红外波段有广泛应用前景。光敏性是硫系玻璃现象之一，研究其特性及应用以前主要集中在薄膜结构上。在我们工作中初步发现硫系玻璃光纤结构与薄膜结构的光敏性存在显著差异。因此，拟提出详细研究硫系玻璃光纤光敏性，并利用其深入研究制备硫系玻璃光纤的Bragg光栅。本项目主要包括数值分析不同波长光侧向照射As2S3硫系玻璃光纤的光能量横向分布；基于法布里-珀罗标准具和回音壁模式原理，实验研究As2S3硫系玻璃阶跃型光纤和微光纤的光致折射率变化，厘清其光敏性，提出光诱导动力模型；采用改进型Sagnac干涉仪组成的光栅写入系统，研究制备高反射率、光谱质量良好的As2S3硫系玻璃光纤Bragg光栅，并结合实验，理论分析包层和芯层都具有光敏性的硫系玻璃光纤的光栅形成特征。这些工作将深入梳理硫系玻璃不同体结构下的光敏性，为制备其光子器件提供新思路。

硫系玻璃具有近中远红外域的良好透光性和高非线性，是制作表现优良的非线性光学器件的最佳材料之一，其光子器件将应用在通信和中红外波段的传感器、非线性信号处理和光纤激光等领域。本项目围绕As2S3硫系光纤的光敏性研究，应用于Bragg光栅的刻写。理论分析表明这种包层和纤芯都具有光敏性的As2S3硫系光纤在光照波长540 nm时纤芯处出现吸收峰值，其峰值全宽半值范围对于波长为526~562 nm，这可用为提高光敏性。实验研究As2S3光纤纤芯在532 nm近带隙光照射下的光敏性，指出了As2S3光纤纤芯折射率变化存在两个过程：首先是光照开始时，折射率快速朝负方向减小变化，是个快过程；随后光照一定的时间，折射率恢复，且随着光照时间延长缓慢朝正方向增大变化，是个慢过程。且认为第一个快过程是源于缺陷态产生，但因缺陷态处于亚稳定状态，进入第二个慢过程使其稳定化，两过程持续时间随光照功率增加而缩短。当光照功率增大到一定阈值，在恢复过程中，折射率出现正增长，且随光照功率增大和光照时间延长，折射率变化可高达(3~4)×10-3。在此基础上，研究了沿轴向施加张力下As2S3光纤纤芯光致折射率变化，发现施加张力能显著影响光敏性。实验还发现As2S3光纤的光阻断效应，截止效率约为55%。理论分析了As2S3硫系光纤Bragg光栅的光谱特性，并建立了改进型Sagnac干涉仪组成的光栅写入系统，实验研究制备As2S3硫系光纤Bragg光栅。研究表明Bragg光栅透射峰值随光纤包层直径减少而增强，且光谱质量变好；曝光期间Bragg波长位移也存在类似的两过程，其先向短波长方向移动发生蓝移，到达一定曝光时间后，又向长波长方向恢复发生红移。商业化的大直径As2S3硫系光纤热熔融拉锥制成小直径的单模光纤，在其上制备Bragg光栅，短的曝光时间（70~110 s）内能得到透射峰值高达–9.86 dB（反射率高达89.7 %）、带宽约0.48 nm的高光谱质量Bragg光栅。这种中红外光子器件，作为线性功能器件，可应用于红外传感器领域；在非线性光学应用中，用它可实现全光开关、脉冲整形，并能减慢光速等；还是获得高效一体化硫系玻璃光纤激光器所需要的高反射率Bragg光栅。这些工作对于厘清硫系玻璃在不同体结构下光敏性有重要的实践意义，将进一步推进其在近中红外波段域有巨大的现实和潜在的应用价值。