CN108873165B - 基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器，双芯光纤的端面为超构表面，所述超构表面是梯度相位的金属纳米单元层的结构，所述双芯光纤的两个纤芯均为单模且折射率相同。超构表面是采用电子束蒸镀技术在平整的双芯光纤端面制备的金属膜，并利用聚焦离子束刻蚀技术在金属膜表面加工出微纳结构。本发明具有集成度高、结构微小、系统稳定、操作灵活和抗干扰能力强等特点，实现偏振态的动态调控，较传统的偏振合成设计，其对偏振态具有动态可调谐的功能，并可以得到透射光的任一偏振态。

Description

基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器

技术领域

本发明涉及一种任意偏振态合成器，特别是一种基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器，具体地说是一种依靠双芯光纤的双通道信号同时激发端面同一或不同结构的超构表面，利用信号之间的相位差动态调控超构表面的任意偏振态合成的技术，属于电磁波和电磁超构材料领域。

背景技术

光的偏振，振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其它纵波的一个最明显的标志。偏振是电磁波的一个重要特性，操纵电磁波的偏振态是光子学研究中至关重要的。控制光的偏振态这一技术的应用也十分的广泛。传统得到线偏振光的方式一般采用偏振片、波片堆、晶体(波片)、尼科尔棱镜等，而椭圆偏振光需要通过起偏器和波片得到。传统的方式只能得到某一类的偏振光，在需要多种类型的偏振光时操作较繁琐。

超构材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能，如负折射、完美透镜、隐身斗篷等。超构材料在最近几十年的时间里被各个行业广泛关注，越来越多的研究人员开始研究超构材料及其相关应用，并且有很多科研成果伴随着超构材料不断被提出。超构材料最早以左手材料(LHM)和负折射材料(NIM)而著名。众所周知，偏振是横电磁波所拥有的一个固有特性，并且对于光的传播和光学信息处理方面都起到了十分重要的作用。在以超构材料为基础的偏振调控方面，众多超构材料中丧失了镜面对称的手性超构材料性能最佳，是最有应用前景的超构材料。在潜在的应用方面，手性超材料的出现产生了许多的偏振器件，包括：偏振片、偏振旋转器以及偏振转换器。2000年John B.Pendry用一种纳米尺寸负折射材料银薄膜实现了完美棱镜，他的这种超构材料也就是后来我们所说的超构表面。2005年，罗先刚等人提出用等离子超构表面对光进行聚焦，这种等离子超构表面是在金属上腐蚀出不同宽度的纳米槽对入射光的相位进行控制，从而实现完美棱镜。随后，在2008年，他们又用等离子超构表面实现了对光的折射方向的调控。2011年，美国哈佛大学的Capasso等人提出V型槽超构表面，可以实现光的异常折射。超构表面作为二维超构材料引起越来越多的关注，它可以用于调控电磁波的振幅、相位和偏振。超构表面具有很多吸引人的优点，例如超薄，体积小，低成本和易于制造。当光线入射到一个相位梯度沿着表面变化的超构表面上时会产生异常反射和折射，异常反射和折射符合广义斯涅尔定义。超构材料及超构表面极大地丰富了电磁领域的研究内容，实现多种功能性器件，如完美吸收器、偏振器、滤波器和调制器等。但实际上，超构材料及超构表面等离激元结构的光调控器件，多数都需要严格的空间对准装置，不利于性能提高和系统的集成，便携性差。

光纤具有微小的截面和极大的纵宽比，具有很好的生物兼容性，其平坦端面为微纳实验室的实现提供了良好的平台。随着光纤技术的不断发展，各种新型结构光纤也不断涌现。为了解决降低光纤光缆的制造成本和开发高密集度大芯数光缆这两大难题，S.Inao于1979年提出了多芯光纤的概念。多芯光纤传感器由于体积小、结构紧凑，构成材料一致，热膨胀系数相同，对温度表现出来的响应是一样的，因而可以避免了温度与其他物理量的交叉敏感问题，具有自温度补偿等诸多的优点。

在多芯光纤端面设计金属的超构材料及超构表面具有低能耗、动态调谐、响应快、工作波长易调谐等特点，具有广阔的应用前景。基于超构表面的多芯光纤集成器件在调控光场的过程中不需要严格的空间准直、耦合光路，消除入射光倾斜入射对器件性能的影响，具有集成度高、结构微小、系统稳定、操作灵活和抗干扰能力强等特点。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种利用双芯光纤的双通道信号同时激发端面上超构表面，利用信号之间的相位差动态调控超构表面的任意偏振态合成的基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器。

为解决上述技术问题，本发明一种基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器，双芯光纤的端面为超构表面，超构表面是梯度相位的金属纳米单元层的结构，双芯光纤的两个纤芯均为单模且折射率相同。

作为本发明的一种改进，超构表面是采用电子束蒸镀技术在平整的双芯光纤端面制备的金属膜，并利用聚焦离子束刻蚀技术在金属膜表面加工出微纳结构。

作为本发明的另一种改进，双芯光纤的两个纤芯端面分别对应的超构表面为同一种结构或不同结构。

本发明的有益效果：不同相位差的光入射到超构表面其透射波的偏振态不同，实现一种可调控的偏振合成器，基于这种超构表面集成的双芯光纤动态调控可以得到任一偏振状态的透射波，同时可以实现两个入射光相位差渐变过程中的透射波偏振态的动态变化。这一发明解决了原有设备功能简单，仅限几个偏振态的问题，这一发明具有集成度高、结构微小、系统稳定、操作灵活和抗干扰能力强等特点，实现偏振态的动态调控，具有很高的实用价值。

本发明制作简单，加工方便，易于实现。在原有双芯光纤的基础上，在其端面引入超构表面结构，双芯光纤的两个双芯均为单模且折射率相同，这样通过双芯光纤的两个入射波受到的干扰少，误差小，偏振合成稳定。

本发明可以实现不同相位差的入射波下透射波偏振态的动态调控，是一种可调控的偏振合成器，是一种新型的偏振合成器，在动态偏振控制与合成等领域有重要的实际应用价值。

本发明操作简单，可通过改变双芯光纤中两通道中两入射波的相位差，来实现对透射波的偏振态的动态控制。

本发明同时具有集成度高、结构微小、系统稳定、抗干扰能力强等特点，较传统的偏振合成设计，其对偏振态具有动态可调谐的功能，并可以得到透射光的任一偏振态。

附图说明

图1是可调控任意偏振态合成器的实现流程图；

图2是双芯光纤的结构示意图；

图3是基于超构表面集成的双芯光纤任意偏振态合成器的一种结构示意图；

图4(1)是实施例1中基于超构表面集成的双芯光纤任意偏振态合成器的设计效果图；

图4(2)是实施例2中基于超构表面集成的双芯光纤任意偏振态合成器的设计效果图；

图5是实施例1和实施例2中偏振态合成过程中几个不同相位差的入射波下的透射波的偏振态。

具体实施方式

任意偏振态合成器原理是依靠双芯光纤的双通道的两束偏振态正交或相同的信号同时激发端面同一或不同结构的超构表面，形成角度相同的正常折射光和异常折射光，并且在同一方向的折射光合成为一束透射波，利用入射波之间的相位差动态调控不同方向透射波的任意偏振态。所采用的超构表面是一种梯度相位的金属纳米单元层的结构，通过设计纳米单元的空间分布对两束电磁波折射的角度进行调控，从而达到透射波的任意偏振状态合成。因此基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器可以得到透射波的任意偏振态。

双芯光纤的两个纤芯均为单模且折射率相同。

双芯双通道光信号是由于不同纤芯中的光信号可以同时激发端面上的超构表面，而且每个纤芯可以耦合进不同的光信号。利用两个不同相位的光信号动态调控超构表面出射场的偏振态。

双芯光纤中的两束入射波为频率、传播速度相同，偏振方向互相垂直或者相同的线偏振光。

超构表面是指在采用电子束蒸镀技术在处理过的、平整的双芯光纤端面制备一定厚度的金属膜，利用聚焦离子束刻蚀技术加工得到超构表面。

任意偏振态合成器是当入射的两束光信号相位发生变化时透射波的偏振态随之变化。两束入射光相位差变化2π为一个周期，透射波的偏振态将经过线偏振、左旋圆偏振、线偏振、右旋圆偏振、线偏振一系列的变化，通过两入射波的相位差可以有效调控透射波的偏振状态。

任意偏振态合成器是一种可以动态显现在不同相位差的两个入射波下透射波的不同偏振态，并且可以调控得到透射波的任一偏振态。

采用的超构表面是一种梯度相位的金属纳米孔单元层的结构，光的传播将遵循广义斯涅尔定律，即异常折射光满足公式(1)，产生偏离角度，异常折射光与正常折射光将沿着不同角度出射。

式中θ_t和θi分别表示空气中的折射角与光纤测的入射角。超构表面的纳米单元结构的空间排布可以对折射光的角度进行控制使得两束入射光的正常折射和异常折射的角度相同，即在同一方向上合成为一束透射光。双芯光纤中的偏振正交时的两束入射波可表示为：

E_x＝A_xcos(ωt-kz+δ_x) (2)

E_y＝A_ycos(ωt-kz+δ_y) (3)

式中A_x、A_y表示两束入射波的振动振幅，δ_x、δ_y表示两入射波的初相位，ω为入射波角频率,k为波矢，z为方向。经过超构表面的合成透射波可表示为：

E＝A₀{cos(ωt-kz+δ_x)+cos(ωt-kz+δ_y)} (4)

通过式(2)和(3)消去ωt-kz后透射波也可表示为：

其中相位差δ＝δ_x-δ_y。根据相位差δ可以确定透射光的偏振态：

(1)δ＝0π时，(5)式变为

描述的是线偏振光。

(2)

并且A_x＝A_y时，(5)式变为

描述的是圆偏振光当A_x≠A_y时，(5)式为

描述的是正椭圆偏振光。

(3)δ为其它值时，描述的是一般椭圆偏振光。

因此改变两入射波的相位差就可以相应改变在同一方向透射光的偏振态。

本发明首先采用电子束蒸镀技术制备在平整的双芯光纤端面的金属膜，然后利用聚焦离子束刻蚀技术在金属膜表面加工出超构表面。

本发明中双芯光纤的两个纤芯端面分别对应的超构表面可以为同一种结构或不同结构，这样不同的入射波能激发出不同的现象。

本发明采用的技术方案为一个可调控的任意偏振态合成器，它主要由双芯光纤、超构表面结构两部分组成。双芯光纤的两个纤芯均为单模且折射率相同，双通道中的两束波为频率、传播速度相同，偏振方向互相垂直或相同的线偏振光。两束保持一定相位差的波入射到光纤端面的超构表面上，通过对两束入射光的正常和异常折射角度的控制，实现其在同一方向上相互叠加的透射波的任意偏振态的合成，当两束入射波的相位差变化时不同方向的透射波的偏振状态随之变化，因此可以动态的控制透射波的偏振态，实现可调的任意偏振态合成器。

双芯光纤纤芯偏离几何结构的中心，为了高效地激发复合超构表面，其制备需要准确地确定各纤芯的中心位置。镀制薄膜后各纤芯的精确位置无法从端面直接判断，微纳加工技术也很难直接判断纤芯的位置。本发明在镀膜前，利用157nm激光微加工系统在双芯光纤端面刻微槽标记进行定位，或者在制备双芯光纤时，在光纤侧边留一边槽直接进行标记，然后根据几何结构进行计算，进而精确地确定各个纤芯的空间位置。

所采用的超构表面集成双芯光纤的结构设计原理可简要概括为：根据广义斯涅尔定律和微纳单元的谐振机理，在双芯光纤端面设计多种金属的微纳结构，分析微纳谐振子各个参数对光纤端面出射场的影响和调制规律，进而设计超构表面。合理调整微纳结构的周期及结构参数，使得超构表面的工作频率与多芯光纤的模式相匹配，提高激发效率。根据入射光波宽度设计纳米单元的数量、根据纳米单元对相应正常和异常折射角度的控制确定纳米单元的分布规律。由式(1)可以看出，只要能引入合适的相位梯度

折射光就可以为任意方向。因此通过纳米单元之间的分布规律使得两束入射光的正常和异常折射的角度对应相同，在同一方向上的折射光合成为一束透射波。当两入射波的相位差发生变化时，不同方向上透射波的偏振态也会随之变化。

该动态可调控的偏振态合成器具有集成度高、结构微小、系统稳定、操作灵活和抗干扰能力强等优点，其可以实现不同相位差的入射波下透射波偏振态的动态调控，实现一种可调控的偏振控制，在动态偏振控制领域具有重大的突破意义。

实施例1：

图3中，1为异常折射光y₁，2为正常折射光x₁，3为超构表面，4为双芯光纤，5为入射波,6为异常折射光x₂,7为正常折射光y₂。

在实施例1中双芯光纤端面上两束光纤对应的为同一种结构的超构表面，两束入射波为偏振正交的线偏振波，其与超构表面相互作用如图4(1)所示。两束入射波分别为x偏振波和y偏振波，经过超构表面后，对应x偏振光产生x偏振的正常折射光x₁和y偏振的异常折射光y₁，而对应y偏振光产生y偏振的正常折射光y₂和x偏振的异常折射光x₂，两束入射光产生的正常折射和异常折射的角度对应相同，x₁和y₂合成为一束透射光，y₁和x₂合成为一束透射光。通过改变入射光的相位差，可以改变不同方向透射光的偏振态。在π/2相位差下，x₁和y₂可以表示为

E_x＝A_xcos(ωt-kz) (6)

E_x＝A_xcos(ωt-kz+π/2) (7)

通过式(6)和(7)合成的透射波可表示为：

相位差

代为式(8)得

由式(9)可以看出时A_x＝A_y透射光为圆偏振光，A_x≠A_y时透射波为正椭圆偏振光。由此可以看出通过改变入射光的相位差，可以达到对透射波的偏振态的控制。图5所示是几个特殊相位差下的透射波偏振态图像。

实施例2：

在实施例2中双芯光纤端面上两束光纤对应的为不同结构的超构表面，两束入射波为偏振相同的线偏振波，其与超构表面相互作用如图4(2)所示。两束入射波均为x偏振波，经过超构表面后，其中一束x偏振光产生x偏振的正常折射光x₁和y偏振的异常折射光y₁，而另一束x偏振光产生y偏振的正常折射光y₂和x偏振的异常折射光x₂。两束入射光产生的正常折射和异常折射的角度对应相同，x₁和y₂合成为一束透射光，y₁和x₂合成为一束透射光。同样可以实现图5所示的不同相位差情况下透射波的不同偏振态的显示。实施例中超构表面的结构仅为示意图，并不限定纳米单元的大小、形状及方向。

本发明涉及一种基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器。任意偏振态合成器原理是依靠双芯光纤的双通道中的两束偏振态正交或相同的信号同时激发端面上同一种或不同种结构的超构表面，在超构表面上形成角度相同的正常折射光和异常折射光，在相同方向的折射光合成为一束透射波，利用两束入射波之间的相位差动态调控不同方向的透射波的任意偏振态。所采用的双芯光纤两个纤芯均为单模且折射率相同。所采用的入射波是两束频率、传播速度相同，偏振方向互相垂直或相同的线偏振光。所采用的超构表面是一种梯度相位的金属纳米单元层的结构，通过设计纳米单元的空间分布对两束入射波的折射的方向进行调控，从而达到对形成的透射波的偏振态的控制。不同相位差的两束光入射到超构表面后的透射波的偏振态不同。本发明可以根据所需得到某一方向的任意偏振态的透射波，而且不需要严格的空间准直、耦合光路，消除入射光倾斜入射对器件性能的影响，具有低能耗、动态调谐、集成度高、结构微小、系统稳定等特点。

Claims (2)

1.一种基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器，其特征在于：双芯光纤的端面为超构表面，所述超构表面是梯度相位的金属纳米单元层的结构，所述双芯光纤的两个纤芯均为单模且折射率相同,利用双芯光纤的双通道信号同时激发端面上超构表面，利用信号之间的相位差动态调控超构表面的任意偏振态合成，双芯光纤的两个纤芯端面分别对应的超构表面为同一种结构或不同结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于超构表面集成的双芯光纤的任意偏振态合成器，其特征在于：所述的超构表面是采用电子束蒸镀技术在平整的双芯光纤端面制备的金属膜，并利用聚焦离子束刻蚀技术在金属膜表面加工出微纳结构。

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