CN112859393A - 一种基于电光效应的plzt薄膜啁啾光栅调谐装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置，由光纤、光纤固定架、PLZT薄膜啁啾光纤光栅、高压电场发生器阴极、高压电场发生器阳极和绝缘底板组成，其中高压电场发生器阴极和高压电场发生器阳极通过改变施加在PLZT薄膜啁啾光栅上的电场大小，激发PLZT薄膜的电光效应，实现PLZT薄膜啁啾光纤光栅的色散补偿量调节；PLZT薄膜啁啾光纤光栅的制备如下：首先采用磁控溅射镀膜法将PLZT薄膜镀到包层被氢氟酸腐蚀的光敏光纤上并进行高温退火处理，然后对镀有PLZT薄膜的光敏光纤进行载氢处理，最后采用相位掩模板刻栅法在载氢后的光敏光纤的镀膜位置刻写啁啾光栅；本发明借助PLZT薄膜优良的电光效应，提高了啁啾光纤光栅的调谐精度，缩短了调谐响应时间。

Description

一种基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置
技术领域
本发明提出了一种基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置，属于光通信领域。
背景技术
随着光通信技术的飞速发展，光纤通信的高速率、大容量等指标受到广泛关注，其中色散也是其主要的技术指标之一。
啁啾光纤光栅对光纤的色散进行补偿，具有成本低、结构简单、插入损耗小和性能可靠等多方面的优点,成为一种很有前景色散补偿方案。随着紫外光刻写啁啾光纤光栅技术的发展，啁啾光纤光栅在诸多的领域得到越来越广泛地应用，尤其是光纤通信领域。
现有的啁啾光纤光栅调谐技术以温度和应力调谐为主。CN101581835A公开了一种基于磁致伸缩的啁啾光栅调谐装置，在啁啾光栅上镀有正磁致伸缩膜和负磁致伸缩膜，在磁场的作用下，沿啁啾光栅轴线方向产生应变，因此改变了啁啾光栅的啁啾率；CN101515073A公开了一种基于电调制的啁啾光纤光栅梳状滤波器，改变通过电阻丝的电流来控制电阻丝的温度，作为外在热源改变光纤光栅上的温度分布，进而改变啁啾光栅的啁啾率；CN106877121A公开了一种基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器，采用包层被腐蚀的啁啾光纤光栅包裹上石墨烯制成石墨烯啁啾光纤光栅，使用激光器对石墨烯啁啾光纤光栅的反射带宽进行光控调节。
镧改性锆钛酸铅(PLZT)材料具有较大的电光系数和折射率，在集成电光器件领域具有巨大的应用优势和潜力，其纳秒级响应速度更是近年来相关学者正在积极研究的热点课题，而薄膜的使用更为器件的集成化创造了条件，PLZT薄膜成为集成光学领域波导材料的新星，得到了国内外的广泛研究。PLZT薄膜作为啁啾光纤光栅的包层材料时，基于PLZT薄膜的电光效应，薄膜的折射率随着外加电场强度的增加而减小，包层与纤芯的相对折射率差随之增大，从而使啁啾光纤光栅的布拉格波长发生偏移，根据这个原理可以制备高响应速度的啁啾光纤光栅调谐装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置，提高啁啾光纤光栅调谐的响应速度。
本发明由光纤、光纤固定架、PLZT薄膜啁啾光纤光栅、高压电场发生器阴极、高压电场发生器阳极和绝缘底板组成；所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅与光纤相连，被光纤固定架固定在绝缘底板上面，在绝缘底板的两侧分别安装高压电场发生器阴极和高压电场发生器阳极；
所述高压电场发生器阴极和高压电场发生器阳极通过改变施加在PLZT薄膜啁啾光栅上的电场大小，激发PLZT薄膜的电光效应，改变PLZT薄膜的折射率，进而改变啁啾光栅的反射带宽和布拉格波长，实现PLZT薄膜啁啾光纤光栅的色散补偿量调节；所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅的制备过程如下：首先用氢氟酸溶液腐蚀光敏光纤包层至光纤直径约为10到15微米，然后采用磁控溅射镀膜法在包层被腐蚀的光纤表面镀PLZT薄膜并进行500到600摄氏度的高温退火处理，然后对镀有PLZT薄膜的光敏光纤进行载氢处理，最后采用相位掩模板刻栅法在载氢后的光敏光纤的镀膜位置刻写啁啾光栅；所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅(3)的PLZT薄膜的厚度为0.3到1微米。
优选地，所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅的长度为5到15毫米。
优选地，所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅的PLZT薄膜的覆盖长度为15到20毫米，大于PLZT薄膜啁啾光纤光栅的长度。
本发明的有益效果是：提出将电光系数较大的镧改性锆钛酸铅(PLZT)薄膜作为包层材料，镀在包层被腐蚀的啁啾布拉格光栅侧面，通过改变施加在PLZT薄膜啁啾光栅上的电场大小，激发PLZT薄膜的电光效应，改变薄膜的折射率，使包层与纤芯的相对折射率差随之增大，从而使啁啾光纤光栅的布拉格波长发生偏移，借助这个原理可以制备高响应速度的啁啾光纤光栅调谐装置。
附图说明
图1是本发明的一种基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置示意图；
图2是本发明PLZT薄膜啁啾光栅的制备过程示意图；
图3是本发明PLZT薄膜啁啾光栅的一个实施例剖面示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见图1，为本发明基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置的一个实施例结构示意图。该基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置可以包括光纤1、光纤固定架2、PLZT薄膜啁啾光纤光栅3、高压电场发生器阴极4、高压电场发生器阳极5和绝缘底板6组成，其中PLZT薄膜啁啾光纤光栅3与光纤1相连，被光纤固定架2固定在绝缘底板6上面，在绝缘底板6的两侧分别安装高压电场发生器阴极4和高压电场发生器阳极5。
高压电场发生器阴极4和高压电场发生器阳极5通过改变施加在PLZT薄膜啁啾光栅3上的电场大小，激发PLZT薄膜的电光效应，改变PLZT薄膜的折射率，进而改变啁啾光栅的反射带宽和布拉格波长，实现PLZT薄膜啁啾光纤光栅3的色散补偿量调节；PLZT薄膜啁啾光纤光栅3的制备如下：首先用氢氟酸溶液腐蚀光敏光纤包层至光纤直径达到10到15微米，然后采用磁控溅射镀膜法在包层被腐蚀的光纤表面镀PLZT薄膜并进行500到600摄氏度的高温退火处理，然后对镀有PLZT薄膜的光敏光纤进行载氢处理，最后采用相位掩模板刻栅法在载氢后的光敏光纤的镀膜位置刻写啁啾光栅；所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅3的PLZT薄膜的厚度为0.3到1微米，制备过程如图2所示，PLZT薄膜啁啾光纤光栅3的剖面示意图如图3所示。
本实施例中，当高压电场发生器阴极4和高压电场发生器阳极5在PLZT薄膜啁啾光纤光栅3周围产生电场时，会激发PLZT薄膜的电光效应。PLZT材料是一种新型的透明铁电陶瓷材料，具有优良的铁电、压电和热释电性能，具有电光系数大、折射率高、透光性好等特点。PLZT材料中存在许多自发极化的偶极子，同一个电畴内的偶极子的取向相同，但不同的电畴中偶极子的取向是随机的，因此，没有外加电场时，材料中不存在偶极矩；当PLZT材料置于电场中时，电畴沿着电场方向转动，材料开始极化，外加电场大小不同时，电畴极化强度不一样，反映在介电常数上，不同的外加电场对应不同的介电常数，从而PLZT材料的折射率也会随之发生改变。包层折射率对啁啾光纤光栅的反射谱有很大的影响，不同的PLZT薄膜折射率会导致不同的光栅反射率和布拉格波长。因此，本发明可以通过改变高压电场发生器阴极4和高压电场发生器阳极5在PLZT薄膜啁啾光纤光栅3周围产生电场的大小来改变啁啾光纤光栅的色散补偿量，起到调谐的功能。
由于PLZT薄膜具有优良的铁电、压电和热释电性能，具有较大的电光系数，对于高压电场发生器的驱动电压要求不高，功耗较低；借助PLZT薄膜的电光效应实现材料的折射率改变，折射率的调谐精度较高，PLZT薄膜的纳秒级响应速度使得该装置的调谐响应时间非常短；另外PLZT薄膜同其他单晶铁电材料相比，具有容易加工成不同形状器件、控制组成性质的可变范围较宽、成本低等优点。
另外，PLZT薄膜啁啾光纤光栅3的制作过程可以为：
(1)将光敏光纤浸泡在氢氟酸溶液中，腐蚀光纤包层，直到光敏光纤的直径腐蚀到10到15微米。
(2)采用磁控溅射镀膜法，在90％氩气和10％氧气的溅射气氛下，在包层被腐蚀的光敏光纤表面制备均匀的PLZT薄膜，薄膜厚度为0.3到1微米。
(3)对镀有PLZT薄膜的光敏光纤进行高温退火处理，采用管式炉退火的方法，退火温度在500到600摄氏度之间，退火处理可以使非静态的PLZT铁电薄膜转化为钙钛矿相，具有铁电性能，还可以减小薄膜的空隙率，降低内应力，促进晶核的生长，提高晶体的质量。
(4)对镀有PLZT薄膜的光敏光纤进行持续两周以上的载氢处理。
(5)采用相位掩模板刻栅法在载氢后的光敏光纤的镀膜位置刻写啁啾光栅。
需要注意的是：本实施例中所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅3的长度为5到15毫米，PLZT薄膜的覆盖长度为15到20毫米，大于PLZT薄膜啁啾光纤光栅3的长度，保证啁啾光纤光栅部分被PLZT薄膜完全覆盖。
由上述实施例可见，本发明首先采用磁控溅射镀膜法将PLZT薄膜镀到包层被腐蚀的光敏光纤上并进行高温退火处理，然后对镀有PLZT薄膜的光敏光纤进行载氢处理，最后采用相位掩模板刻栅法在载氢光敏光纤的镀膜位置刻写啁啾光栅，从而制备了PLZT薄膜啁啾光纤光栅，并通过改变施加在光栅上的电场大小，激发PLZT薄膜的电光效应，改变PLZT薄膜的介电常数，从而改变PLZT薄膜的折射率，使啁啾光纤光栅产生不同的反射带宽和布拉格波长，改变啁啾光纤光栅的色散补偿量，起到调谐的功能，借助PLZT薄膜优良的电光效应提高调谐精度，缩短调谐响应时间。

Claims (3)

1.一种基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置，其特征为：由光纤(1)、光纤固定架(2)、PLZT薄膜啁啾光纤光栅(3)、高压电场发生器阴极(4)、高压电场发生器阳极(5)和绝缘底板(6)组成；所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅(3)与光纤(1)相连，被光纤固定架(2)固定在绝缘底板(6)上面，在绝缘底板(6)的两侧分别安装高压电场发生器阴极(4)和高压电场发生器阳极(5)；
所述高压电场发生器阴极(4)和高压电场发生器阳极(5)通过改变施加在PLZT薄膜啁啾光栅(3)上的电场大小，激发PLZT薄膜的电光效应，实现PLZT薄膜啁啾光纤光栅(3)的色散补偿量调节；所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅(3)的制备过程如下：首先用氢氟酸溶液腐蚀光敏光纤包层至光纤直径约为10到15微米，然后采用磁控溅射镀膜法在包层被腐蚀的光纤表面镀PLZT薄膜并进行500到600摄氏度的高温退火处理，然后对镀有PLZT薄膜的光敏光纤进行载氢处理，最后采用相位掩模板刻栅法在载氢后的光敏光纤的镀膜位置刻写啁啾光栅；所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅(3)的PLZT薄膜的厚度为0.3到1微米。
2.根据权利要求1所述的一种基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置，其特征在于：所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅(3)的长度为5到15毫米。
3.根据权利要求1所述的一种基于电光效应的PLZT薄膜啁啾光栅调谐装置，其特征在于：所述PLZT薄膜啁啾光纤光栅(3)的PLZT薄膜的覆盖长度为15到20毫米，大于PLZT薄膜啁啾光纤光栅(3)的长度。
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