CN106990474A - 一种可调谐单芯光子晶体光纤spr单偏振波长分裂器 - Google Patents

一种可调谐单芯光子晶体光纤spr单偏振波长分裂器 Download PDF

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Abstract

一种可调谐单芯光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)SPR单偏振波长分裂器，涉及一种可调谐光纤波长分裂器，属于光纤通信和光器件领域，适用于波分复用解复用、光纤传感和激光系统等领域。解决了一般PCF波长分裂器的固定波长分裂、带宽较小、模式耦合不充分以及无法利用单芯PCF实现分束等缺点。在单芯PCF(7)中，对称的上空气孔(2‑1)和下空气孔(2‑2)内侧壁被镀金属材料(8‑1、8‑2)，根据SPR混合模耦合效应和单偏振滤波特性，当包含A和B两个波长的光进入PCF(7)后，A波长光的X‑偏振光被损耗掉Y‑偏振光输出，B波长光则恰好相反，由此分裂两波长光。又根据磁光效应，椭圆空气孔(3)中的磁流体折射率外加随磁场变化而变化，最终可实现单偏振波长分裂的可调谐。

Description

一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器
技术领域
本发明涉及一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器，属于光纤通信、光网络和光器件领域，适用于波分复用解复用、光测试仪表、光纤传感和激光系统等领域。
背景技术
表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance,SPR)一般出现在介质和金属的交界处，是一种电子振动现象，其促使金属表面波的模式同波导模式相耦合，最终在某一确定条件下(某一确定波长或入射角)，两个模式相位匹配产生谐振耦合，此时损耗值达到最大，出现损耗峰值。SPR常见的激发结构有棱镜型、平面光栅型以及光纤型结构。一般而言，光纤型SPR采用的是D-型光纤为基底，并在D型面上镀膜金属薄膜作为光纤SPR型结构。但，随着光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)的快速发展，如今的光纤SPR常常采用PCF作为结构基底，并由此研究制作各类光器件，应用于各个领域中，如基于SPR的PCF传感、滤波、太阳能电池以及纳米光刻技术等领域。由于利用SPR效应可将光学控制维度降低至二维，在很小的电磁场空间内突破衍射极限、实现纳米尺寸的光传输，且具有局部场增强优势，故基于SPR效应的器件尺寸十分微小，易于集成。
随着智慧城市、大数据时代的提出和实现，对超大带宽容量的通信系统需求越来越迫切，故而使得作为未来网络核心的全光网越来越受到大家的重视。目前，作为全光网络重要器件之一的偏振分束器已然成为人们竞相研究的热点。常见的偏振分束器可分为棱镜型、平面波导结构型和光纤型等几大类。其中，广义上的光纤偏振分束器指的是采用光纤结构将含有不同波长的一束光分解为波长不同的两束光，或者是将同一波长的两个正交偏振态分裂开来，前者也常被称为光纤波长分裂器。基于PCF的波长分裂器可通过PCF折射率分布、各类型空气孔尺寸以及耦合长度的设计来获得优异的波长分裂特性。但在某一特定的PCF下，其折射率分布、空气孔尺寸以及耦合长度参数为固定值，故不能实现波长分裂的可调谐，而且这些PCF波长分裂器中的光纤必须是双芯或者多芯PCF才能实现波长分裂。本发明通过在单芯PCF的某些空气孔中镀金属薄膜作为SPR激发物质，由于光纤SPR的混合模耦合效应和单偏振滤波特性，这种光纤波长分裂器可实现在单芯PCF上分裂不同波长光，且输出光为单一偏振态光，其器件长度可小至微米量级。又在椭圆形空气孔中注入磁流体，根据磁光效应，磁流体折射率会随外加磁场的变化而变化，从而导致单芯PCF的有效折射率变化，实现单偏振波长分裂的可调谐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:
目前基于PCF的波长分裂器在某一特定PCF下，无法实现波长的动态分裂；另外，一般的PCF波长分裂器还存在波长分裂器带宽较小、器件长度较长以及模式耦合不充分、无法实现利用单芯PCF分裂波长等缺点。
本发明的技术方案：
一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器包括正六边形空气孔分布的单芯PCF7，背景材料为石英5。其中，小空气孔4半径为0.2微米到0.6微米；大空气孔1半径为0.5微米到2微米，周期6-1为1.1微米到4.1微米，大小空气孔中心间距6-2为0.8微米到2.7微米；四个椭圆形空气孔3的长短轴半径范围分别为0.5微米到2.2微米和1微米到2.5微米；在单芯PCF7中，对称的上空气孔2-1被镀膜上厚度可在30微米到70微米之间的金属材料8-1，且下空气孔2-2内侧壁也被镀膜上厚度可在30微米到70微米之间的金属材料8-2。根据SPR的混合模耦合效应和单偏振滤波特性，当包含A和B两个波长的光进入单芯PCF7后，A波长光的X-偏振被吸收损耗掉而输出Y-偏振光，相对应的B波长光则只有X-偏振输出，Y-偏振被吸收损耗掉，由此可分裂两个波长的光。另外，由于在椭圆空气孔3中填充满了磁流体。当外加垂直或水平磁场强度变化时，根据磁光效应，磁流体折射率会发生相应变化，从而导致单芯PCF模式的有效折射率发生变化，实现单偏振波长分裂的可调谐。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
本发明通过在单芯PCF的某些空气孔中镀膜金属材料作为SPR激发源，并将磁流体填充至椭圆形空气孔中。由于光纤SPR的混合模耦合效应以及单偏振滤波特性，故这种光纤波长分裂器是一种可基于单芯PCF的单偏振波长分裂器，并且解决了一般PCF波长分裂器的器件长度长、模式耦合不完全等缺点。另外，根据磁光效应，磁流体折射率会随着外加磁场的变化而变化，从而导致单芯PCF的有效折射率变化，实现波长分裂的可调谐，它能够很好的应用于光通信、光测试仪表、光纤传感和激光系统等领域。
附图说明
图1为一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对此发明进一步描述。
实施方式一
一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器包括正六边形空气孔分布的单芯PCF7，背景材料为石英5。其中，小空气孔4半径为0.2微米；大空气孔1半径为0.5微米，周期6-1为1.1，大小空气孔中心间距6-2为0.8微米；四个椭圆形空气孔3的长短轴半径分别为0.5微米和1微米；在单芯PCF7中，对称的上空气孔2-1被镀膜上厚度为30微米的金属材料8-1，且下空气孔2-2内侧壁被镀膜上厚度为35微米的金属材料8-2。根据SPR的混合模耦合效应和单偏振滤波特性，当包含A和B两个波长的光进入单芯PCF7后，A波长光的X-偏振被吸收损耗掉而输出Y-偏振光，相对应的B波长光则只有X-偏振输出，Y-偏振被吸收损耗掉，由此可分裂两个波长的光。另外，由于在椭圆空气孔3中填充满了磁流体。当外加垂直或水平磁场强度变化时，根据磁光效应，磁流体折射率会发生相应变化，从而导致单芯PCF模式的有效折射率发生变化，实现单偏振波长分裂的可调谐。
实施方式二
一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器包括正六边形空气孔分布的单芯PCF7，背景材料为石英5。其中，小空气孔4半径为0.6微米；大空气孔1半径为2微米，周期6-1为4.1微米，大小空气孔中心间距6-2为2.7微米；四个椭圆形空气孔3的长短轴半径分别为2.2微米和2.5微米；对称的上空气孔2-1被镀膜上厚度为35微米的金属材料8-1，且下空气孔2-2内侧壁被镀膜上厚度为45微米的金属材料8-2。根据SPR的混合模耦合效应和单偏振滤波特性，当包含A和B两个波长的光进入单芯PCF7后，A波长光的X-偏振被吸收损耗掉而输出Y-偏振光，相对应的B波长光则只有X-偏振输出，Y-偏振被吸收损耗掉，由此可分裂两个波长的光。另外，由于在椭圆空气孔3中填充满了磁流体。当外加垂直或水平磁场强度变化时，根据磁光效应，磁流体折射率会发生相应变化，从而导致单芯PCF模式的有效折射率发生变化，实现单偏振波长分裂的可调谐。
实施方式三
一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器包括正六边形空气孔分布的单芯PCF7，背景材料为石英5。其中，小空气孔4半径为0.2微米；大空气孔1半径为0.5微米，周期6-1为1.1微米，大小空气孔中心间距6-2为0.8微米；四个椭圆形空气孔3的长短轴半径分别为0.5微米和1微米；对称的上空气孔2-1被镀膜上厚度为40微米的金属材料8-1，且下空气孔2-2内侧壁被镀膜上厚度为55微米的金属材料8-2。根据SPR的混合模耦合效应和单偏振滤波特性，当包含A和B两个波长的光进入单芯PCF7后，A波长光的X-偏振被吸收损耗掉而输出Y-偏振光，相对应的B波长光则只有X-偏振输出，Y-偏振被吸收损耗掉，由此可分裂两个波长的光。另外，由于在椭圆空气孔3中填充满了磁流体。当外加垂直或水平磁场强度变化时，根据磁光效应，磁流体折射率会发生相应变化，从而导致单芯PCF模式的有效折射率发生变化，实现单偏振波长分裂的可调谐。
实施方案四
一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器包括正六边形空气孔分布的单芯PCF7，背景材料为石英5。其中，小空气孔4半径为0.2微米；大空气孔1半径为0.7微米，周期6-1为1.5微米，大小空气孔中心间距6-2为1微米；四个椭圆形空气孔3的长短轴半径分别为0.5微米和1微米；对称的上空气孔2-1被镀膜上厚度为40微米的金属材料8-1，且下空气孔2-2内侧壁被镀膜上厚度为35微米的金属材料8-2。根据SPR的混合模耦合效应和单偏振滤波特性，当包含A和B两个波长的光进入单芯PCF7后，A波长光的X-偏振被吸收损耗掉而输出Y-偏振光，相对应的B波长光则只有X-偏振输出，Y-偏振被吸收损耗掉，由此可分裂两个波长的光。另外，由于在椭圆空气孔3中填充满了磁流体。当外加垂直或水平磁场强度变化时，根据磁光效应，磁流体折射率会发生相应变化，从而导致单芯PCF模式的有效折射率发生变化，实现单偏振波长分裂的可调谐。

Claims (4)

1.一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器包括正六边形空气孔分布的单芯PCF(7)，背景材料为石英(5)。其中，小空气孔(4)半径为0.2微米到0.6微米；大空气孔(1)半径为0.5微米到2微米，周期(6-1)为1.1微米到4.1微米，大小空气孔中心间距(6-2)为0.8微米到2.7微米；四个椭圆形空气孔(3)的长短轴半径范围分别为0.5微米到2.2微米和1微米到2.5微米；在单芯PCF7中，对称的上空气孔(2-1)被镀膜上厚度可在30微米到70微米之间的金属材料(8-1)，且下空气孔(2-2)内侧壁也被镀膜上厚度可在30微米到70微米之间的金属材料(8-2)。根据SPR的混合模耦合效应和单偏振滤波特性，当包含A和B两个波长的光进入单芯PCF(7)后，A波长光的X-偏振被吸收损耗掉而输出Y-偏振光，相对应的B波长光则只有X-偏振输出，Y-偏振被吸收损耗掉，由此可分裂两个波长的光。另外，由于在椭圆空气孔(3)中填充满磁流体。当外加垂直或水平磁场强度变化时，根据磁光效应，磁流体折射率会发生相应变化，从而导致单芯PCF模式的有效折射率发生变化，实现单偏振波长分裂的可调谐。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器，其特征在于：
所述的器件结构中的特殊单芯光子晶体光纤的椭圆形空气孔填充的液体为磁流体，包括水基磁流体、酯基磁流体以及油基磁流体等。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器，其特征在于：
所述的器件结构中镀膜的材料为金属金或者金属银。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐单芯光子晶体光纤SPR单偏振波长分裂器，其特征在于：
所述的器件结构中两个对称空气孔内壁的镀膜厚度不同或是镀膜材料不同以实现两个波长的不同偏振滤波特性。
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