基于液晶填充式熔嵌芯中空光纤电光调制器件机理研究

In this project we plan to carry out a mechanism investgation of electro-optic modulators based on embedded core hollow optical fiber filled with liquid crystal, including optical intensity modulation and optical phase modulation respectively. Because liquid crystal has good electro-optic charateristics, we combine liquid crystal material with the embedded-core hollow fiber, and inject it into centrial air hole of the hollow fiber to form liquid crystal cladding. By electrically modulating refractive index of liquid crystal cladding, optical wave in core of optical fiber can be modulated indirectly. Three types of all fiber electro-optic modulators are respectively designed and studied, including optical fiber attenuator, optical fiber phase modulator and in-fiber MZI optical switch. Moreover, all fiber attenuator or phase modulator or optical switch can be integrated naturally into a single fiber with 125 μm in diameter, and have low insert loss connection with optical fiber network. The project is aimed to develop a kind of electro-optic devices based on embedded core hollow optical fiber filled with liquid crystal, to construct physical and electrogeometric model, and achieve theoretical innovation and technological progress in the field of all fiber electro-optic modulating devices.

本课题拟开展基于液晶填充式熔嵌芯中空光纤的电光调制器机理研究，分别包括光强度调制和光相位调制两方面机理研究。我们将液晶材料良好的电光效应与熔嵌芯中空光纤相结合，把液晶注入到中空光纤中心空气孔处来构成液晶包层，通过电光调制液晶包层折射率的变化来改变纤芯中光波性质，最终实现对光的电光调制功能。设计并研制三种全光纤电光调制器件，包括基于光强度调制的电可调谐光衰减器、全光纤相位调制器和基于光相位调制的纤内MZI光开关。而且这三种电光调制器件可自然集成到直径为125微米的单根光纤之中，并低损耗地嵌入到通用的光纤网络里，从而构成新型的全光纤电光调制器件。本课题目标是发展一种基于液晶填充熔嵌芯中空光纤的功能集成式全光纤电光调制器件，获得液晶材料与熔嵌芯中空光纤相互作用的物理和电气模型，实现全光纤电光调制器的理论创新和技术进步。

随着光纤技术的快速发展，多芯光纤技术在全光纤器件的设计和开发过程中扮演着关键角色，尤其全光纤电光调制器件是全光纤器件中最具代表性的一种，同时它也是构成其它全光纤器件的一种基础器件。基于多芯光纤的全光纤电光调制器件可将整个光电器件集成到一根标准直径125µm光纤之中，即纤内集成器件，可提高全光纤器件的集成度和稳定性。.在本项目中，我们围绕一种多芯中空光纤开展纤内电光调制器研究。我们将液晶材料良好的电光效应与多芯中空光纤相结合，把液晶注入到中空光纤中心空气孔处来构成液晶包层，通过电光调制液晶包层折射率的变化来改变纤芯中光波性质，最终实现对光的电光调制功能。主要包括以下研究内容：.（1）中空多芯光纤的设计、结构优化、制备技术改进和光纤光学特性分析。.（2）研究液晶填充式熔嵌芯中空光纤光强度调制和光相位调制机理，并研制全光纤电可调谐光纤衰减器、电光相位调制器和基于光相位调制的纤内光开关。.通过对本项目开展研究，主要实现了以下研究成果：.（1）实现了熔嵌芯中空光纤和矩形多芯中空光纤的设计、结构优化、制备技术改进，完成了光纤光学特性的分析，并基于此类多芯中空光纤研制了三种全光纤电光调制器件，包括基于光强度调制的电可调谐光衰减器、全光纤相位调制器和基于光相位调制的纤内光开关。.（2）在光强度调制方面，分析了液晶折射率的变化对光纤内倏逝场的影响及电场强度对液晶分子散射能力的影响，研究了在电场作用下液晶的光折变现象。在光纤结构方面，理论评估了在不同薄石英包层厚度下光纤衰减器衰减性能。利用差分迭代法和光束传播法，研究了液晶折射率变化对纤芯中光能量大小的影响。.（3）在相位调制方面，建立了金属电极-石英-液晶电气模型，研究了外加电场对液晶分子取向的影响和对液晶包层折射率的影响，以及液晶材料折射率的变化对光纤双折射的影响。分析了纤芯中基模HE11有效折射率对液晶包层折射率变化的响应特性，讨论了该器件相位调制特性对液晶包层尺寸（即中心空气孔直径）、液晶包层与纤芯间距（即薄石英包层厚度）、纤芯锗掺杂浓度等参数依赖规律。.通过本项目的研究，发展了一种基于液晶填充熔嵌芯中空光纤的功能集成式全光纤纤内电光调制器件，获得液晶材料与熔嵌芯中空光纤相互作用的物理和电气模型，实现全光纤电光调制的理论创新和技术进步。

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