CN108761630B - 具有可调谐宽带偏振滤波功能的光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有可调谐宽带偏振滤波功能的光子晶体光纤，是由背景材料、纤芯、缺陷芯和包层区构成；在所述背景材料上，按正三角结构周期排列着数个孔径相同的圆形空气孔构成包层区；在结构中心右侧包层区一空气孔缺失构成纤芯；在纤芯右侧有一大空气孔，在大空气孔内壁镀一层金膜，在覆有金膜的大空气孔内填充液体构成缺陷芯。本发明设计的光子晶体光纤可以实现良好的可调谐宽带偏振滤波功能，可适用于基于光纤的偏振滤波器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有可调谐宽带偏振滤波功能的新型结构的光子晶体光纤。所述光子晶体光纤能够在不同波段实现良好的宽带偏振滤波功能，可适用于基于光纤的偏振滤波器件。
背景技术
随着光纤通信、光纤传感、光纤激光器和光信息处理技术的不断发展，偏振滤波器件的用途日益广泛，其中对可调谐宽带偏振滤波器件的需求尤为突出。同时光学器件小型化、集成化的发展趋势日益明显，光子晶体光纤以其灵活可控的微结构和光学特性在光纤及其器件应用中受到了人们的青睐。陈海良等人设计了一种D型光子晶体光纤实现了宽带偏振滤波功能，但滤波波段固定不可调节。随着研究的不断深入，人们发现在光子晶体光纤的空气孔中填充一些功能材料，可以使光纤表现出更丰富的光学性质，从而为功能器件的研究提供更好的平台。
在光纤空气孔内壁涂覆金属薄膜，可以实现等离子和光子的结合，利用金属与介质间的表面等离子体激元共振效应实现光纤的传感或滤波应用。随着涂覆技术的不断成熟，利用气象沉淀法在空气孔的内壁上可以精确得到特定厚度的金属薄膜。近期，X.Zhang等人利用还原反应沉淀法选择性的将光子晶体光纤的两个气孔内壁上覆上了一层银膜，同时发现该光纤具有偏振吸收效应，但不能很好的实现两正交偏振方向完全分离的偏振滤波效应。
随着填充技术的不断发展，对光子晶体光纤选择性填充液体也越来越容易可行。利用毛细现象可以方便的实现某些不同尺寸空气孔的选择性填充。使用固化胶堵住不需要填充的空气孔，再通过毛细吸收可以实现任意空气孔的填充。直接注入法可以更为精确的实现任意空气孔的选择性填充，Intoni等人在显微镜下利用直接注入的方法实现了对光子晶体光纤空气孔的选择性填充。
本发明提出的一种具有可调谐宽带偏振滤波功能的新型结构的光子晶体光纤，该光纤由于本身具有高双折射特性，不用改变既定光纤结构，仅仅通过改变所填充液体折射率，就可以实现不同波长处的宽带偏振滤波功能，对于可调宽带偏振滤波器件的研究具有重要的实际价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是通过研究液体填充镀金膜型光子晶体光纤中表面等离子体激元共振响应波长与光纤双折射、空气填充比率、涂覆金膜厚度和填充液体折射率的关系，设计出可以实现可调宽带偏振滤波功能的光子晶体光纤。
本发明的目的是要提供一种具有可调谐宽带偏振滤波功能的新型结构的光子晶体光纤。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
这种具有可调谐宽带偏振滤波功能的新型结构的光子晶体光纤，是由背景材料、纤芯、缺陷芯和包层区构成；在所述背景材料上，按正三角结构周期排列着数个孔径相同的圆形空气孔构成包层区；在结构中心右侧包层区一空气孔缺失构成纤芯所在的芯区，芯区偏离光纤中心以此增加双折射；在芯区右侧有一大空气孔，在大空气孔内壁镀一层金膜，在覆有金膜的大空气孔内填充液体构成缺陷芯；纤芯区域内的光和缺陷芯内的光在满足相位匹配和损耗匹配的条件下会发生等离子体共振，在一定结构条件，仅通过改变填充液体折射率就可实现对共振响应波长的调节，以此实现滤波波段的可调谐功能；除这一大空气孔外，其他空气孔的尺寸都相同；所述光纤的背景材料为石英材料。
作为上述光纤的进一步改进，所述包层区的空气孔直径为1微米，孔间距为2微米；所述覆有金膜的大空气孔直径为2.4微米，所述金膜的厚度为23纳米。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有这样的有益效果：
1、纤芯偏离中心，与传统纤芯在中心的光子晶体光纤相比，大大提高了双折射，有利于实现偏振滤波；
2、需要涂覆金膜的空气孔比较大，利用还原反应沉淀法可以方便的实现金膜的涂覆；
3、所需填充液体的空气孔和其余空气孔尺寸不同，空气孔比较大，利用直接注入法就可以简便的实现选择性填充；
4、整个结构中只存在两种尺寸的空气孔结构，制作过程中的结构误差会大大减小；
5、无需改变光纤结构，只需改变填充液体的折射率就可实现宽带偏振滤波波段的调节。这也是本发明的一个独特之处。
附图说明
图1本发明实施例一的光纤截面示意图；
图2本发明实施例一的光纤的色散关系图；
图3本发明实施例一的光纤的传输损耗图；
图4本发明实施例一的光纤的消光比图；
图5本发明实施例二的光纤的传输损耗图。
具体实施方式
为了更详细地说明本发明，下面结合附图具体描述本发明的工作原理及此类光纤的各种实施例。
实施例一
图1为本发明具有可调谐宽带偏振滤波功能的新型结构的光子晶体光纤的一个实施例。光纤的背景材料2为石英材料，其构成包层区的空气孔5均匀的分布在等边三角形阵列的各个结点上,孔间距为2微米，光纤中心右侧一空气孔缺失构成纤芯所在的芯区1，芯区1右侧的大空气孔3直径为2.4微米，内壁上涂覆一层金膜4，金膜4的厚度为23纳米，在此大空气孔3内填充折射率为1.38 的液体，其余空气孔5尺寸相同，直径为1微米。
图2为本发明实施例一的光纤的色散关系图。曲线1、2分别为光纤的x偏振方向和y偏振方向的基模有效折射率随波长的变化关系，曲线3、4为金膜表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)模式有效折射率随波长的变化关系。光子晶体光纤中周期性的包层结构能够将光限制在纤芯中，并以一定的模式在纤芯中传输。在镀有金膜的光子晶体光纤中，当纤芯传导模式和金膜 SPP模式相位匹配时，纤芯中传导的光会强烈地耦合到金膜表面，使光以等离子体激元的形式在金膜表面传输。也就是说，在纤芯传导模式色散曲线与金膜SPP 模式色散曲线的交点波长附近，传导光会从纤芯强烈地耦合到金膜表面，从而实现孔内镀金膜光纤的滤波功能。对于普通的纤芯在中心的镀金膜光子晶体光纤，x，y两正交偏振方向的基模都会与金膜表面的SPP模式发生耦合且响应波长通常在同一波长点，因此不能很好的满足偏振滤波器件的需求。本发明所提供的具有可调谐宽带偏振滤波功能的新型结构的光子晶体光纤中无需引入高双折射区，在波长1.55微米处光纤双折射强度就可达到0.00299。从而，仅x偏振方向的基模与金膜表面SPP模式发生了共振耦合，而y偏振方向的基模正常传导，最终实现了偏振滤波的功能。
图3为本发明实施例一的光纤的传输损耗图。曲线1、2分别为光纤x，y 两正交偏振方向的传输损耗。从图3可以看出，光纤x偏振方向的基模与金膜表面SPPs在1.55微米和1.71微米处分别产生共振响应，而y偏振方向的基模与金膜表面SPPs没发生共振响应，几乎没有能量的损失，实现了双波长处良好的偏振滤波功能。
图4为本发明实施例一的光纤的消光比图。曲线1、2、3分别为当光纤长度为0.6毫米、0.8毫米和1毫米时的消光比。从图4可以看出，光纤的消光比随其长度的增长而增加。消光比是衡量滤波器滤波特性的重要参数，当消光比大于20dB或小于-20dB时，滤波器就可以将x偏振方向和y偏振方向的光很好的分开(将其中某个方向的光滤掉)，而且消光比越高滤波效果越好。从图中可以明显的看出，当光纤长度为0.6毫米、0.8毫米和1毫米时，所设计滤波器的带宽都达到了1200纳米(从1微米处到2.2微米处消光比都小于-20dB)，实现了宽带偏振滤波的功能。
实施例二
图5为本发明光纤的实施例二的传输损耗图。本发明实施例二与实施例一结构相同，不同之处在于实施例二中的大空气孔内填充液体的折射率为1.3。曲线1、2分别为光纤x，y两正交偏振方向的传输损耗。从图中可以明显的看出，光纤x偏振方向的基模与金膜表面SPPs在1.31微米和1.45微米处分别产生共振响应。从而通过改变所填充液体的折射率，方便的实现了1.55微米和1.31微米这两个通讯波段的偏振滤波，对于其他波长处的滤波功能也可通过同样的方法得到。本实施例很好的展示了所设计的孔内镀金膜填充液体型光子晶体光纤可调谐的滤波特性。
Claims (2)
1.一种具有可调谐宽带偏振滤波功能的光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤是由背景材料、纤芯、缺陷芯和包层区构成；在所述背景材料上，按正三角结构周期排列有数个孔径相同的圆形空气孔构成包层区；在结构中心右侧包层区一空气孔缺失构成纤芯；在纤芯右侧有一大空气孔，在大空气孔内壁镀一层金膜，在覆有金膜的大空气孔内填充液体构成缺陷芯；所述光纤的背景材料为石英材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有可调谐宽带偏振滤波功能的光子晶体光纤，其特征在于：所述包层区的空气孔直径为1微米，孔间距为2微米；所述覆有金膜的大空气孔直径为2.4微米，所述金膜的厚度为23纳米；所述在大空气孔内填充液体的折射率为1.38。
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Effective date of registration: 20211220 Address after: Room 801, 85 Kefeng Road, Huangpu District, Guangzhou City, Guangdong Province Patentee after: Yami Technology (Guangzhou) Co.,Ltd. Address before: 066004 No. 438 west section of Hebei Avenue, seaport District, Hebei, Qinhuangdao Patentee before: Yanshan University |
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Effective date of registration: 20220629 Address after: Room 202, floor 2, building 10, zone 2, No. 188, South Fourth Ring West Road, Fengtai District, Beijing 100071 Patentee after: Beijing Huakong Yixin Technology Co.,Ltd. Address before: Room 801, 85 Kefeng Road, Huangpu District, Guangzhou City, Guangdong Province Patentee before: Yami Technology (Guangzhou) Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20221101 Address after: No. 116, Jinsong 1st Road, Shibei District, Qingdao, Shandong 266035 Patentee after: Qingdao Junrong Huitong Photoelectric Technology Co.,Ltd. Address before: Room 202, floor 2, building 10, zone 2, No. 188, South Fourth Ring West Road, Fengtai District, Beijing 100071 Patentee before: Beijing Huakong Yixin Technology Co.,Ltd. |