一种石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器及标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电子领域，涉及一种石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器及标定方法。
【背景技术】
[0002]光纤光栅调谐器是一种新型的光电子器件，它的出现使许多复杂的全光纤通信网络和传感网络成为可能，并极大地拓宽了光纤技术的应用范围。作为光学滤波和传感的重要被动器件之一，光纤光栅调谐器具有体积小、成本低、抗电磁干扰、灵敏度高等诸多优点。目前，光纤光栅调谐器已被广泛用于波长可调谐激光器、可调谐滤波器、光波上下路复用与解复用器等。在光纤光栅调谐器的开发方面，多种调谐技术被不断提出和应用。例如，利用压电陶瓷器对光纤光栅进行机械拉伸，通过调制栅区的长度改变光纤光栅的中心波长。但这种光纤光栅调谐器件的制备工艺复杂，需要将光纤与机械部件封装，不可避免地存在移动部件。类似地，将光纤光栅贴敷在金属薄片上，利用电加热的方式改变金属薄片的温度，并通过热传导改变光纤光栅的折射率，从而达到调制的目的。但这种光纤光栅调谐器件仍存在工艺复杂、体积较大、响应速度慢等缺点。另一类光纤光栅调谐器是基于电光调制的光纤光栅调谐器。这种方法需要在一种纤芯周围具有空气孔的特种光纤上蒸镀电极，同时在纤芯位置刻写光栅，同样存在制备成本高、工艺复杂等不足。
[0003]相比以上方法，基于全光驱动的光纤光栅调谐器具有工艺简单、插入损耗小、调制速度快等优势。例如，使用掺杂有稀土离子的光纤制作成的光纤光栅可实现全光调谐器件。当驱动光通入掺杂光纤时，光纤的折射率可以通过光热效应或离子基态消耗等方式而改变，从而实现光纤纤芯折射率的变化，达到调谐反射波长的目的。但这些器件需要成本较高的掺杂光纤，并且在掺杂光纤上制备光纤布拉格光栅器件较为困难，同时器件存在较大的插入损耗。
【发明内容】
[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器及标定方法，以克服现有光纤光栅调谐器在制备工艺复杂、成本高、效率低等方面的缺点。
[0006]技术方案
[0007]—种石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器，其特征在于包括石墨烯薄膜(1)和栅区具有泄漏模场的光纤光栅(2);石墨烯薄膜(1)裹覆于栅区具有泄漏模场的光纤光栅
(2)的泄漏模场的区域。
[0008]所述石墨烯薄膜1通过湿法转移裹覆于栅区具有泄漏模场的光纤光栅器件的泄漏模场区域。
[0009]所述栅区具有泄漏模场的光纤光栅为:在微米量级的光纤锥区域经刻写光栅制成的光纤光栅、经化学腐蚀栅区至直径为微米量级的商业光纤光栅、在D型光纤中刻写光纤光栅形成的D型光纤光栅或将光纤光栅栅区的侧边抛磨为D型而成的D型光纤光栅。
[0010]一种标定所述石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器反射谱的方法，其特征在于包括步骤如下:
[0011]步骤1:将信号光和栗浦光入射至被标定光纤光栅调谐器；所述信号光的波长范围能够覆盖被标定光纤光栅调谐器的反射谱；所述栗浦光波长与信号光波长不同；
[0012]步骤2:检测被标定光纤光栅调谐器的反射谱；
[0013]改变栗浦光的功率，重复步骤1?2，得到被标定光纤光栅调谐器与栗浦光的功率相对应的反射谱图。
[0014]一种实现所述方法的光路系统，其特征在于包括信号光源5、栗浦光源6、波分复用器7、光谱检测器8和环形器9:信号光源和栗浦光源连接在波分复用器的输入端，波分复用器的输出端连接环形器的输入端，环形器的输出端连接被标定光纤光栅调谐器10的输入端，光谱检测器与环形器的反射端连接。
[0015]有益效果
[0016]本发明提出的一种石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器及标定方法，相比现有技术的优越性在于:
[0017]1、石墨烯具有优异的光电特性。石墨烯独特的线性色散能带结构，使其对光具有强烈的吸收效果，其中单层石墨烯对光的吸收率可高达2.3%。另外，拥有零带隙电子结构的石墨烯在吸收光子后，载流子在弛豫过程中不发生光辐射，而是将所吸收的光子能量完全转化为欧姆热能。因此，石墨烯具有非常高效的光热效应。并且，石墨烯吸收光纤光栅泄露模场的光能量后，所产生的欧姆热与驱动光能量呈一定的线性关系，该特性在实际应用中具有明显的优势。本发明的石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器，兼备了石墨烯强烈的光吸收行为和高效光热效应，可以通过控制驱动光的开关和强弱来实现信号光在光纤光栅器件反射波长的调谐，有益于形成一种低能耗、高效率的全光驱动光纤光栅调谐器。
[0018]2、本发明的石墨烯辅助光纤光栅的全光调谐器在制备工艺和实际应用中具备以下优点:(1)制备简单，具有二维结构的石墨烯具有一定的机械性能和柔软性，易与光纤结构相集成，并且仅需将石墨烯薄膜裹覆于栅区具有泄漏模场的光纤光栅器件上，无需制备复杂的电光器件或压电器件，也无需掺杂稀土离子的特种光纤，利用普通商业光纤光栅即可实现，有益于简化器件制备工艺且降低成本；(2)采用全光纤集成结构，插入损耗小，且与其他光纤器件兼容；(3)所构成的调谐器采用了光驱动技术，在整个工作过程中无机械运动，具有良好的稳定性和可重复性。
[0019]3、石墨烯裹覆的栅区位置视情况不同，最终全光驱动所形成的调谐效应可分为两个方面:(1)石墨烯沿光纤光栅轴向裹覆全部栅区时，光纤光栅反射谱中心波长漂移，但带宽和形状不变；(2)石墨烯沿光纤光栅轴向裹覆部分栅区时，调谐成为带宽可调的啁啾光纤光栅。相比其他光纤光栅调谐器，本发明的石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器具有灵活多样的特性，极大地扩展了其应用范围。
[0020]4、本发明的石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器同时利用了石墨烯的光热效应和光纤的热光效应，其中，石墨烯薄膜集成的光纤光栅器件的直径在微米量级，需要的热转移时间很短，最终导致其响应时间可至10毫秒甚至更低，相比基于压电陶瓷驱动和电光驱动的调谐器，具有更快的响应速度。
[0021]综上，本发明的石墨烯辅助的光驱动光纤光栅调谐器具有成本低、结构紧凑、全光纤集成、线性调制且调制速度快、应用范围广等优势，在光通信、光学滤波、传感测量等领域具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0022]图1为本发明中石墨烯裹覆腐蚀光纤光栅的结构示意图；
[0023]图2为本发明中石墨烯裹覆腐蚀光纤光栅的横截面图；
[0024]图3为本发明中石墨烯裹覆D型光纤光栅的结构示意图；
[0025]图4为本发明中石墨烯裹覆D型光纤光栅的横截面图；
[0026]图5为本发明中石墨烯裹覆腐蚀光纤光栅全部栅区示意图；
[0027]图6为本发明中石墨烯裹覆腐蚀光纤光栅部分栅区示意图，以及在驱动光注入时，光纤光栅上折射率分布示意图；
[0028]图7对利用本发明光纤光栅器件进行标定的示意图；
[0029]图8为根据图5中器件示意图制备的石墨烯裹覆全部光纤光栅时，全光驱动的光纤光栅调谐器所产生反射光谱中心波长漂移的实验效果图；
[0030]图9为根据图6中器件示意图制备的石墨烯裹覆部分光纤光栅时，全光驱动的光纤光栅调谐器所产生反射光谱展宽的实验效果图；
[0031]图10为根据图6中器件示意图制备的石墨烯裹覆部分光光纤光栅时，全光驱动的光纤光栅调谐器所产生带宽展宽的实验测量结果；
[0032]图11为根据图6中器件示意图制备的石墨烯裹覆部分光纤光栅时，全光驱动的光纤光栅调谐器的响应速度测量结果。
[0033]图中:1.石墨烯；2.栅区具有泄露模场的微光纤光栅；3.D型光纤光栅栅区；4.具有泄漏模场的光纤光栅栅区；5.信号光源；6.光谱分析仪；7.光纤环形器；8.驱动光源；9.光纤波分复用器；10.所标定的石墨烯裹覆光纤光栅器件。
【具体实施方式】
[0034]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0035]本发明实施例包括石墨烯薄膜和栅区具有泄漏模场的光纤光栅器件；石墨烯薄膜通过湿法转移裹覆于栅区具有泄漏模场的光纤光栅器件的泄漏模场区域，形成石墨烯集成的光纤光栅。
[0036]所述石墨烯薄膜可以裹覆于光纤光栅上的全部栅区位置，也可以是裹覆于光纤光栅上的部分栅区位置。
[0037]所述栅区具有泄漏模场的光纤光栅器件可以是利用氢氟酸将商业化光纤光栅的栅区位置腐蚀至微米量级的光纤细丝，也可以是刻写在经热拉锥制作的微米光纤锥上的光纤光栅，也可以是将商业光纤光栅的栅区位置侧边抛磨为D型光纤光栅，也可以是在D型光纤上刻写光栅结构所形成的D型光纤光栅。
[0038]所述石墨稀薄膜是利用化学气相沉积方法生长在金属箔上的石墨稀材料，石墨稀材料通过化学腐蚀法将金属箔去除后，形成石墨烯薄膜。
[0039]本发明所采用的工作原理:
[0040]石墨烯辅助的全光驱动光纤光栅调谐器的驱动光和信号光通过光纤波分复用器进行合束，并同时进入所述石墨烯集成的光纤光栅器件，构成所述全光驱动光纤光栅调谐器。所述驱动光与所述信号光具有不同波长。所述驱动光在所述栅区具有泄漏模场的光纤光栅器件中传输时，部分光场泄露在光纤外，并被所述裹覆在光纤外围的石墨烯薄膜吸收。吸收一定光能量的所述石墨烯薄膜通过光热效应产生欧姆热能。所述石墨烯薄膜产生的欧姆热能以热传导的方式加热所述栅区具有泄漏模场的光纤光栅器件。所述栅区具有泄漏模场的光纤光栅器件由于温度的变化而产生热光效应，即所述栅区具有泄漏模场的光纤光栅器件的折射率也发生变化。所述