基于非线性光纤布拉格光栅的宽带慢光缓存器

Optical buffer based on slow light techniques is the key to realize the all-optical router, which should satisfy the requirements of broad bandwith and wide variable delay range. The traditional slow light producing techniques will broaden the pulse and limit the bandwidth, as the material dispersion is utilized. In this project, we propose to realize the delay-tunable broadband slow light buffer based on the slow light effect and temporal soliton effect of nonlinear fiber Bragg gratings (FBG) to overcome the problems presented in current slow light techniques, such as narrow bandwidth and pulse broadening. The study includes:.(1) Developing the key technique of inscribing Bragg grating in nonlinear optical fiber utilizing femtosecond laser pulses and phase mask, and investiging slow light effect as well as the formation dynamic of temporal soliton in fiber..(2) Increasing the device bandwidth by controlling the band-edge condition via optimizing the perodic structure of the Bragg grating..(3) Improving the device bandwidth by compensating the dispersion of FBG using solition, and decreasing the peak power threshold for soliton formation using FBG based on highly nonlinear optical fiber such as tellurate glass fibe..The final goal is to exhibit the broadband delay-tunable slow light buffer, characterized by the bandwidth>1 GHz, pulse peak power threshold<0.5 kW and variable pulse delay>2 ns.

基于慢光技术的光缓存器是目前实现全光路由的关键，它需要满足宽带宽、宽可调谐延迟的要求。传统的超短脉冲慢光技术在利用介质色散产生慢光的同时，往往会引起脉冲的展宽，大大限制了光缓存器件的应用带宽。本项目针对目前超短脉冲慢光缓存技术存在的带宽窄、脉冲展宽等问题，提出基于非线性光纤布拉格光栅的慢光效应和时间孤子效应，实现延迟可调的宽带慢光缓存器；研究飞秒激光相位掩模技术在具有高光学非线性的光纤中刻写光栅结构的关键技术，以及非线性光纤布拉格光栅中的慢光效应和光孤子形成动力学过程；通过优化布拉格光栅的周期结构调控光子带隙带边结构，以增大器件的带宽；选择具有高非线性的碲酸盐等玻璃光纤制备布拉格光栅，降低超短脉冲在光纤中形成光孤子的阈值，补偿慢光系统的色散以保证器件带宽；展示低阈值、宽带宽、延迟可调的布拉格光栅慢光缓存器，带宽优于1GHz，阈值低于0.5kW，脉冲延迟调谐量超过2ns。

宽带宽、宽可调谐延迟的慢光缓存器是实现全光路由的关键。慢光技术利用介质的色散产生慢光，从而引起脉冲的展宽，限制了光缓存期间的应用带宽。本项目提出利用光学非线性FBG的带边产生慢光，同时基于非线性效应产生光孤子，形成无色散的慢光。本项目核心为利用飞秒激光微纳加工技术在高非线性光纤中制备宽带宽FBG。研究的主要进展和成果有：探索了飞秒激光制备FBG的关键技术，利用飞秒激光碲酸盐、掺镱、微纳光纤等特种光纤中制备了高反射率FBG；提出采用间歇曝光提高基于飞秒激光微纳加工技术制备FBG的新方法，采用间歇曝光和减小应力的方法制备了反射率92%以上的FBG，进一步采用扫描加工的方法获得了反射率99%以上的FBG，带宽1nm（124.8GHz）；采用飞秒激光预制备梯度折射率结构辅助聚焦的方法制备了II型FBG，降低了II型FBG的形成功率阈值；提出了基于阶梯镜的单脉冲时间分辨测量技术；研究了飞秒激光制备FBG的带宽特性，发现FBG带宽随着光栅长度增加而减小，随折射率调制度增加而增大；研究了FBG的慢光特性，发现FBG的可调谐延迟范围随着光栅长度增加和调制度的增加而增加，慢光带宽随着光栅长度的增加而减小，随折射率调制度的增加而增大，为FBG慢光缓存提供了参考。利用飞秒激光在掺镱光纤中制备了反射率99.9%以上的FBG，带宽为1.2nm (149.8GHz)研究了BG的非线性响应特性，在掺镱光纤中实现了0.22nm的光子带隙偏移，反射率调制度在10dB以上。达到了预期目标。.受本项目资助，基于以上研究结果，共发表在Opt. Express、Appl. Surf. Sci. 等本领域著名国际SCI检索期刊15篇，EI检索期刊发表论文2篇，申请发明专利1项，培养研究生3名，其中博士2名，硕士1名，另有在读研究生4名正参与本项目。