基于微纳光纤布拉格光栅的光开关研究

Optical switch based on fiber Bragg grating inscribed in commercial single mode fiber exhibits weak switching property due to large cross-sectional area of the fiber and low nonlinear coefficient of silica. To improve switching performance, we employ micro/nanofiber and femtosecond laser micromachining technique to develop a new optical switch which is based on fiber Bragg grating inscribed in silica micro/nanofiber. The project includes five parts.(1)Theoritical study of the spectral property and optical switching performance of micro/nanofiber grating with different excitation based on nonlinear coupled mode equation and simulation study of the mode property of the fiber grating by Multi-Physics Field Analysis software;(2)Experimental study of micro/nanofiber fabrication by use of strip heater; (3)Experimental study of femtosecond laser machining of micro/nanofiber Bragg grating based on point-by-point method;(4)Experimental study of the relatioship between thermo-optical switching performance and grating parameters;(5) Experimental study of the relationship between all-optical switching performance and grating parameters. The work in this project would find applications in high-speed optical communication system and integrated optics field.

基于普通单模光纤布拉格光栅的光开关受限于较大的光纤截面尺寸以及石英材料较低的非线性系数，其开关性能并不佳。为了提升光纤布拉格光栅型光开关的开关性能，本项目拟将光纤布拉格光栅、微纳光纤与飞秒激光微加工技术三者相结合，研制基于微纳光纤布拉格光栅的高性能全光纤光开关。具体研究包括：（1）基于求解非线性耦合模方程理论研究不同激励条件下的光栅光谱特性和光开关特性，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)实验研究基于条形电加热器的微纳光纤制备工艺；（3）实验研究飞秒激光逐点刻写微纳光纤布拉格光栅的制作工艺，实现多种光栅结构和光栅尺寸的制作；（4）实验研究该光纤光栅的热光开关特性与光栅参数的关系；（5）实验研究该光纤光栅的全光开关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。

本项目主要研究了微纳光纤光栅型热光开关。基于模式理论研究了不同热激励下的光谱特性和开关特性；实验研究了氢氧焰拉锥制备微纳光纤的制备工艺，获得了高质量的微纳光纤；实验研究飞秒激光逐点法制备微纳光纤布拉格光栅，采用CO2激光瞬时热激励方式实验研究了微纳光纤光栅的热光开关特性，探索了光栅光谱在热光调制过程中表现出的新光学现象。..通过探究微纳光纤特性和结构，自主搭建微纳光纤拉锥系统，选择氢气作为洁净热源。通过Labview控制软件将所用的精密步进位移台和氢气流量控制器结合控制光纤拉锥过程。最终所搭建而成的拉锥系统可以精密控制微纳光纤的直径和微纳区及过渡拉锥区的长度。可以制备直径在数百纳米的微纳光纤。利用光纤拉锥系统制备直径在10微米左右的微纳光纤，利用实验室的飞秒激光逐点法在所制备的微纳光纤中制备布拉格光栅。所用激光参数为800 nm，脉宽100 fs，重复频率1000 Hz，光栅加工能量为120 nJ。该方法利用控制精密位移平台的移动速度调节光栅周期，在该实验中，将平台速度设定为1.071 mm/s，对应写制光栅中心波长为1550 nm。..为了快速监视微纳光纤结构的热响应时间，我们利用二氧化碳激光作为稳定热源，与超快精密机械快门结合，可以调制成若干脉冲热激励。当脉冲型热激励作用在光栅区时，布拉格波长会产生红移。因此我们利用可调激光器监视正常状态下光栅反射峰3 dB处。利用所搭建的快速热响应系统对栅区进行周期性热调制，同时利用光电转换器在示波器中观测3 dB点的反射能量，可以清楚地看到类矩形波的信号振幅，当信号振幅清晰稳定时，我们判断该过程为微纳光栅样品在热激励脉冲下的稳定弛豫信号，将波形记录并存储。通过分析，可以得到该10微米直径的微纳光纤布拉格光栅的时间常数仅为21 ms左右，相比于普通单模光纤的250 ms量级的热响应时间参数，该结果有了一个数量级以上的提升。因此我们判断，可以利用该结构作为全光纤热光开关的核心部分。