光控在纤Mach--Zehnder干涉滤波器实验研究

摘要

可调光纤Mach-Zehnder干涉滤波器因具有与光纤兼容、低插损和弱反射等特点在光纤通信、光纤传感以及激光器波长调谐等领域具有重要应用价值。与电光、声光等调谐方式相比，全光可控的光纤Mach-Zehnder干涉仪通常采用一对耦合器构成，并在其中一个干涉臂中引入光敏材料，这种结构具有易实施、调谐精度高和成本低等优点。为增强光纤消逝场与光敏材料的作用强度，需要制备束腰直径小至10μm的拉锥光纤。在耦合器构成的光纤Mach-Zehnder干涉仪中光沿不同的光纤传输，外界干扰因素对两个干涉臂的影响不同将导致滤波性能降低。针对以上问题，本文提出一种基于石墨烯量子点的全光可控在纤Mach-Zehnder干涉滤波器，结合在纤Mach-Zehnder干涉仪高灵敏折射率响应特性和石墨烯量子点的量子限域效应实现高效调谐、高度集成的Mach-Zehnder干涉仪，主要研究内容如下：　　（1）设计了一种具有高折射率响应特性的在纤Mach-Zehnder干涉仪，并利用时域有限差分法分析了结构参数对干涉谱的影响及其折射率响应特性，为实验制备Mach-Zehnder干涉仪提供理论指导。同时，利用洛伦兹模型和波函数理论研究量子点材料折射率的光控特性，为实现高效率光控调谐提供理论依据。　　（2）利用飞秒脉冲激光制备在纤Mach-Zehnder干涉仪并测试其折射率响应特性。首先采用侧边抛磨技术将标准单模光纤研磨成D型光纤，然后利用飞秒脉冲激光在D型光纤刻蚀关于纤芯轴线对称的矩形槽制备在纤Mach-Zehnder干涉仪，最后以不同浓度的蔗糖溶液模拟外界折射率变化研究Mach-Zehnder干涉仪的折射率响应特性。实验结果表明长度为55μm的在纤Mach-Zehnder干涉仪折射率灵敏度可达1.5866×104nm/RIU。　　（3）通过将水溶性氮掺杂石墨烯量子点沉积到在纤Mach-Zehnder干涉仪矩形槽中制备全光可控在纤Mach-Zehnder干涉滤波器。采用中心波长为365nm的紫外光源作为泵浦，研究在纤Mach-Zehnder干涉仪的波长调谐特性。实验结果表明当泵浦光功率密度从0mW/cm2增加至41.1mW/cm2（泵浦光源最大功率密度）时，Mach-Zehnder干涉仪光谱发生红移，其波长漂移量为90nm，即调谐灵敏度为1.9817nm/(mW/cm2)。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 可调光纤滤波器

1.3 光纤滤波器的调控方式

1.4 本文的研究意义与内容

2 光控在纤Mach-Zehnder干涉滤波器原理

2.1 在纤Mach-Zehnder干涉仪原理

2.2 在纤Mach-Zehnder干涉仪结构参数优化

2.3 在纤Mach-Zehnder干涉滤波器光控调谐原理

2.4 本章小结

3 在纤Mach-Zehnder干涉仪制备与测试

3.1 飞秒脉冲激光微加工原理

3.2 在纤Mach-Zehnder干涉仪制备

3.2.1 光纤预处理

3.2.2 在纤Mach-Zehnder 干涉仪制备过程

3.2.3 在纤Mach-Zehnder 干涉仪表征

3.3 在纤Mach-Zehnder干涉仪折射率响应特性测试

3.4 本章小结

4 在纤Mach-Zehnder干涉滤波器光控调谐实验

4.1 在纤Mach-Zehnder干涉滤波器光控波长调谐

4.1.1 光控在纤Mach-Zehnder干涉仪制备

4.1.2 光控波长调谐测试结果与分析

4.2 在纤Mach-Zehnder干涉滤波器光控时间响应

4.2.1 响应时间测试系统搭建

4.2.2 响应时间测试结果与分析

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 学位论文数据集

致 谢