CN102866463B - 石墨烯被覆表面芯光纤起偏器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种石墨烯被覆表面芯光纤起偏器。包括一段表面芯光纤（1），在表面芯光纤的纤芯（2）表面涂覆有石墨烯薄膜（3）。本发明的表面芯光纤及其石墨烯被覆功能器件。光纤纤芯位于包层边界，泄漏到外界的倏逝场会较强，也使在纤芯表面做化学修饰和物理改变都非常方便。光纤结构直接拉丝成形，与额外加工光纤表面相比，其散射损耗小，器件插损会降低，对促进我国新型光纤器件的发展具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光纤通信和光纤传感技术，具体地说是一种石墨烯被覆表面芯光纤起偏器。
背景技术
在高速光通信系统中，要求所用的无源光器件与偏振无关，即无源光器件对不同偏振状态的光信号的响应特性保持稳定。但是由于材料本身的双折射特性以及应力等因素，在器件中传输的两个正交模式的偏振态会发生耦合，导致一系列器件特性与偏振状态相关联。因此为了维持光波偏振态，发展保偏波导及其器件是相当必要的，以保证器件传输时只传输一个偏振方向的光。保偏光纤起偏器是一种利用高双折射光纤构成的光纤偏振器，在光纤陀螺、光纤传感器等应用领域保偏光纤起偏器得到了广泛的重视和研究。根据目前已有成品大致可分为四类：第一类是利用镀金属膜的办法吸收一个偏振分量；第二类是利用双折射晶片泄漏一个偏振分量；第三类是用异型光纤构成光纤起偏器；第四类是卷绕高双折射光纤构成光纤起偏器。
石墨烯是一种由碳原子形成的原子厚度尺寸蜂巢晶格结构的二维平面薄膜。石墨烯具有常规材料不具备的光电特性，只有一个碳原子厚度的石墨烯最高电子迁移率在在室温下也可达到40000cm2/V·s，而电阻率却比铜或银低。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。单层石墨烯可以吸收2.3%垂直入射到石墨烯表面的光，且不依赖于入射光的频率，具有超宽带宽特性，这是由于单层石墨烯不寻常的低能量电子结构，在狄拉克点电子和空穴的圆锥形能带相遇而产生的。它的高电子迁移率和零带隙特性很适合用来制造新一代光电器件，如探测器、调制器、偏振器、太阳能电池等。石墨烯是纤维集成光器件中一种极具应用潜力的二维材料，可用于微纳尺度光电器件的设计。
利用侧抛光纤侧面被覆石墨烯实现起偏器已有报道（Nat.Photonics 2011，5(7)，411-415）。但该起偏器是利用侧抛光纤实现，侧抛光纤插损大，光纤表面散射损耗较大，其抛磨长度、光纤表面质量和其成品率都有待提高，工艺上还需进一步完善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以减小侧抛等手段带来的大插入损耗和表面高散射损耗，能实现不同偏振态的宽带宽起偏的石墨烯被覆表面芯光纤起偏器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的石墨烯被覆表面芯光纤起偏器是包括一段表面芯光纤1，在表面芯光纤的纤芯2表面涂覆有石墨烯薄膜3。
本发明还可以包括：
1、在石墨烯薄膜3上涂覆有有折射率匹配的聚合物6。
2、在表面芯光纤1中写有Bragg光栅结构7。
3、石墨烯薄膜被覆长度为1毫米-10毫米。
4、所述石墨烯薄膜为单层或几层石墨烯。
5、所述聚合物是PMMA或紫外固化树脂。
表面芯光纤纤芯表面仅有石墨烯薄膜时，实现TE模式起偏；表面芯光纤纤芯表面依次涂覆石墨烯薄膜和折射率匹配的聚合物时，则可实现TM模式起偏。石墨烯是利用CVD方法进行制备。表面芯光纤的纤芯可以是圆形2-1，也可以是半椭圆形2-2。宽带起偏器前端与单模光纤8互联是利用熔融焊接后进行拉锥来实现，而器件后端为保证不影响器件的偏振特性，则采用端面对准耦合技术。表面芯光纤中写入Bragg光栅结构7则可实现反射式窄带起偏。
本发明的表面芯光纤及其石墨烯被覆功能器件，是实现TE/TM偏振宽带和窄带可调在线光纤偏振器。光纤纤芯位于包层边界，泄漏到外界的倏逝场会较强，也使在纤芯表面做化学修饰和物理改变都非常方便。光纤结构直接拉丝成形，与额外加工光纤表面相比，其散射损耗小，器件插损会降低，对促进我国新型光纤器件的发展具有十分重要的意义。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、利用表面芯光纤实现起偏器件，可以减小侧抛等手段带来的大插入损耗和表面高散射损耗；
2、实现不同偏振态的宽带宽起偏，通过控制纤芯裸露面积控制器件尺寸，可进一步缩小器件尺寸，这对纤维集成光学具有重要意义。
附图说明
图1是表面芯光纤宽带宽TE模起偏器结构示意图；
图2(a)-图2(b)是表面芯光纤横截面示意图，其中图2(a)的纤芯形状是圆形、图2(b)的纤芯形状是半椭圆形；图2(c)是表面芯光纤X轴方向的折射率分布；
图3是表面芯光纤宽带宽TM模起偏器结构示意图；
图4是带有光栅结构的表面芯光纤窄带宽TE模起偏器结构示意图；
图5是宽带宽器件前端标准光纤与表面芯光纤熔融焊接示意图；
图6是宽带宽器件后端标准光纤与表面芯光纤互连示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
实施例1：
结合图1，一种石墨烯被覆表面芯光纤TE模起偏器是由一段表面芯光纤1构成，纤芯形状是圆形2-1，表面芯光纤纤芯2表面仅有单层石墨烯薄膜3，即“nothing-on-graphene”结构，石墨烯薄膜被覆长度10毫米，此时器件可实现TE模式宽带起偏。其原理是：非偏振宽带光源4从器件一端入射，此时石墨烯总的动态电导率虚部为负值，石墨烯可以支持损耗很小的TE模式，而TM模式也可以耦合到石墨烯中，但它类似于金属膜中的表面等离子激元（SPP）其损耗较大，最终使TM模式的损耗比TE模式大。因此从石墨烯偏振器出来的光波5是TE偏振方向，即实现TE偏振模起偏。宽带起偏器前端与单模光纤8互联是利用熔融焊接后进行拉锥来实现，而器件后端为保证不影响器件的偏振特性，则采用端面对准耦合技术。
实施例2：
结合图3，一种石墨烯被覆表面芯光纤TM模起偏器是由一段表面芯光纤1构成，纤芯形状是半椭圆形2-2，表面芯光纤纤芯2表面依次涂覆单层石墨烯薄膜3和紫外固化树脂6，石墨烯薄膜和紫外固化树脂被覆长度为10毫米，此时器件可实现TM模式宽带起偏。其原理是：非偏振宽带光源4从器件一端入射，石墨烯表面再进行修饰可以增加石墨烯表面载流子密度，即增加了化学势，此时石墨烯电导率的虚部为正数，石墨烯支持TM模式，TM模式的传输仍可类比于金属-介质界面的SPP表面波，而TE模式将被大大地损耗掉，此时TE模式的损耗远大于TM模式，因此从石墨烯偏振器出来的光波5是TM偏振方向，即体现TM起偏。宽带起偏器前端与单模光纤8互联是利用熔融焊接后进行拉锥来实现，而器件后端为保证不影响器件的偏振特性，则采用端面对准耦合技术。
实施例3：
结合图4，一种石墨烯被覆表面芯光纤TE模窄带起偏器是由一段表面芯光纤1构成，纤芯形状是圆形2-1，表面芯光纤纤芯2表面有两层石墨烯薄膜3，石墨烯薄膜被覆长度7毫米，在石墨烯薄膜后端的光纤纤芯刻有Bragg光栅，此时器件可实现TE模式窄带起偏。其原理是与实施例1类似，不同之处在于，光纤光栅器件引入到宽带偏振器中，可实现窄带滤波功能，且该器件是反射式结构，石墨烯薄膜被覆长度可缩短一半，器件尺寸可被进一步缩小。起偏器前端与单模光纤8互联是采用端面对准耦合技术。
Claims (5)
1.一种石墨烯被覆表面芯光纤起偏器，包括一段表面芯光纤（1），其特征是：表面芯光纤通过直接拉丝成形，光纤纤芯位于包层外边界，所述表面芯光纤的包层为圆形，在表面芯光纤的纤芯（2）表面涂覆有石墨烯薄膜（3），石墨烯薄膜被覆长度为1毫米-10毫米，纤芯是圆形；在石墨烯薄膜（3）上涂覆有与折射率匹配的聚合物（6）；所述表面芯光纤是通过直接拉丝成形的光纤纤芯位于包层边界的光纤。
2.根据权利要求1所述的石墨烯被覆表面芯光纤起偏器，其特征是：所述聚合物是PMMA或紫外固化树脂。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯被覆表面芯光纤起偏器，其特征是：在表面芯光纤（1）中写有Bragg光栅结构（7）。
4.根据权利要求1或2所述的石墨烯被覆表面芯光纤起偏器，其特征是：所述石墨烯薄膜为单层或几层石墨烯。
5.根据权利要求3所述的石墨烯被覆表面芯光纤起偏器，其特征是：所述石墨烯薄膜为单层或几层石墨烯。
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