快速电光调谐光子晶体光纤光栅研究

Single-mode fiber or photonic crystal fiber gratings are based on elastic-optic effect, acousto-optic effect or thermo-optical effect, the speed of which is usually the level of millisecond, not more than the level of microsecond. To improve the tuning performance, we employ electro-optical material filling into an air-core photonic bandgap fiber to develop a photonic crystal fiber with electro-optic effect and photosensitivity, and machine fiber gratings through UV mask and femtosecond laser. Five studies include: (1) theoretical study of the spectral property and simulation of the mode property of the fiber grating using multi-physics software; (2) Experimental study preparation of photonic crystal fiber with electro-optic effect and photosensitivity; (3) experimental machining fiber gratings through UV laser mask and femtosecond laser; (4) experimental study of fabrication of the fiber grating electrode; (5) experimental study of the relationship between the grating fast tunable characteristics and parameters of the fiber grating. The work in this project has potential applications in high-speed optical communication systems and integrated optics field.

基于普通单模光纤或光子晶体光纤光栅局限于弹光效应、热光效应和声光效应，其调谐速度通常只能达到毫秒量级，至多达到微秒量级。为提高光纤光栅的调谐速度，本项目拟将高电光系数的电光材料填充入空气芯光子带隙光纤，研制同时具有电光效应和光敏性的新型光子晶体光纤，并通过UV掩模和飞秒激光逐点法写制光纤光栅。具体研究包括：（1）基于求解非线性耦合模方程理论研究电压/电流激励下的光栅光谱特性和响应特性，采用多物理场分析软件对光栅的模式特性进行仿真分析；（2）实验研究同时具有电光效应和光敏性的光子晶体光纤的制备工艺；（3）实验研究UV掩模和飞秒激光逐点法用于光纤光栅的制作工艺，实现多种光栅结构和光栅尺寸的制作；（4）实验研究光纤光栅的电极制备；（5）实验研究该光纤光栅的快速调谐特性与光栅参数的关系。该项目的研究内容在高速光通信系统和集成光学领域具有潜在的应用价值。

普通单模光纤或光子晶体光纤光栅局限于弹光效应、热光效应和声光效应，其调谐速度通常只能达到毫秒量级，至多达到微秒量级。将具有高电光系数的电光材料填充入空气芯光子带隙光纤，研制同时具有电光效应和光敏性的新型光子晶体光纤这将解决通信和传感领域很多难题，近年来成为了学者们研究的热点。本论文的选题来源于中国博士后科学基金（Grant no. 2014M562201）和国家自然科学基金（grants no. 11174064）等项目的研究内容，以光子晶体光纤为主要研究对象，在对光子晶体光纤各种传输特性研究的基础上，重点进行了基于液晶材料填充的光子晶体光纤实验研究，主要研究内容如下：.1. 重点研究了一种热致型液晶材料（E7）的光学特性，理论上发现该液晶材料的折射率在清亮点附近呈现巨大的变化。基于此，我们采用全填充的方式将该液晶材料填充至常规实芯光子晶体光纤包层空气孔中，由全反射型导光机制转为光子带隙光纤，通过监测带隙边缘的移动，实现了一种超宽带工作的温控光开关。此外，我们进一步研究了选择性填充该液晶材料后光纤展现出的优异性能。.2. 研究了一种制作简单的光纤FP干涉仪结构，并用于气压和温度同时测量。具体过程：通过熔接机内置的马达，实现在光纤端面制作不同腔长的FP结构，腔体的材料采用紫外胶，并通过紫外固化技术，最终实现了一种FP干涉仪结构。实验得到，由于紫外胶的高热光系数和弹光系数，该干涉仪结构具有较高的灵敏度，如气压灵敏度达到1131 pm/MPa，同时温度灵敏度达到247 pm/°C；.3. 研究了一种基于光子晶体光纤马赫曾德干涉仪结构，制作过程极为简单，利用普通熔接机即能实现。在光子晶体光纤的两端分别形成一个花生结构和taper结构，这样便实现光束的分和合，形成一种简单的干涉仪传感结构。由于我们采用的结构是非对称（花生结构和taper结构），因而在弯曲测量方面具有优势，具体表现在测试的范围比较大，达到2.5 m-1，此外，弯曲灵敏度比较高，达到50 nm/ m-1。