CN109143458B - 一种在线可调谐双芯光纤偏振器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤偏振器领域，具体涉及一种在线可调谐双芯光纤偏振器。所述的偏振器由一段双包层双芯中空光纤、银/金双金属纳米薄层和折射率可调材料构成，其中双包层双芯中空光纤包括外包层、内包层、纤芯、纤芯、空气孔，银/金双金属纳米薄层包括银纳米层和金纳米层，在一根光纤中实现工作波长可调谐双光束同时起偏，即两束相互平行或垂直的线偏振光分别从两个端口同时输出，且互不串扰。本发明具有消光比高、插入损耗小、体积小、与多芯光纤功能器件兼容性好的优点，用于光子器件和系统的光纤内集成。

Description

一种在线可调谐双芯光纤偏振器
技术领域
本发明属于光纤偏振器领域，具体涉及一种在线可调谐双芯光纤偏振器。
背景技术
随着多芯光纤的问世与发展，多芯光纤功能器件逐渐在光纤通信和光纤传感技术领域得到广泛应用。多芯光纤技术将各种有源、无源光器件集成于一根光纤中，极大减小了器件的尺寸和重量，更易于光学器件在光纤中的集成，同时避免了各个可动部件之间由于装配、固定和调整带来的变化和不一致，提高了纤维集成器件的性能和温度稳定性。光纤偏振器是组成光纤系统的重要光无源器件，其作用是消除一个偏振模，保留另一个偏振模。单芯光纤偏振器只能对单个光束起偏，而多芯光纤偏振器在一根光纤中实现多个光束同时起偏，可免除单芯光纤偏振分束这一过程，更加易于与其它多芯光纤功能器件对接耦合。
目前光纤偏振器的结构很多，但是根据其原理分为四大类：第一种金属覆层型光纤偏振器；第二种是卷绕高双折射光纤构成光纤偏振器；第三类是利用双折射晶片泄漏一个偏振分量；第四类是用异形光纤构成光纤偏振器。金属覆层型光纤偏振器在纤内集成功能器件中有着独特的优势，可实现短距离、大消光比的单偏振光输出。其原理是基于表面等离子体共振技术(Surface Plasmon Resonance,SPR)，光在介质/金属结构上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到金属中，而在金属表面又存在一定的等离子波，当两波波失匹配时发生共振。对于光纤中存在两个正交的偏振模TE模和TM模，振动方向垂直于金属膜的TM模被吸收掉，振动方向平行于金属膜的TE模几乎无损通过。从而实现短距离、大消光比的单偏振光输出。
如中国专利《201611178197.3》所提出的一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构和中国专利《201010142198.9》所提出的内壁融嵌式单模保偏光纤在线偏振器，但它们只出射一束偏振光、共振吸收波长(即工作波长)位置不可调谐。与其相比，本发明针对多芯光纤功能器件，提出一种双芯光纤偏振器，工作波长可在线调谐，实现相互平行、或垂直的两束偏振光分别从两个输出端口同时输出、且互不串扰，易于与其它多芯光纤功能器件连接耦合、兼容性好等特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种易于与多芯光纤功能器件连接耦合的在线可调谐双芯光纤偏振器，即在一根光纤中实现相互平行或垂直的两束偏振光分别从两个端口同时输出、且互不串扰。
本发明的目的是这样实现的：
一种在线可调谐双芯光纤偏振器，所述的偏振器由一段双包层双芯中空光纤1、银/金双金属纳米薄层2和折射率可调材料3构成，其中双包层双芯中空光纤1包括外包层1-1、内包层1-2、纤芯1-3、纤芯1-4、空气孔1-5；银/金双金属纳米薄层2包括银纳米层2-1和金纳米层2-2，在一根光纤中实现工作波长可调谐双光束同时起偏，两束相互平行或垂直的偏振光分别从两个输出端口同时输出，且互不串扰。
所述的双包层双芯中空光纤1的内包层1-2的折射率大于外包层1-1的折射率，光纤中心处有一个大尺寸圆形空气孔1-5，纤芯1-3和纤芯1-4之间的角度呈90°或180°对称分布于内包层1-2中，并均与空气孔1-5内壁的距离小于3μm。
所述的银纳米层2-1通过化学银镜反应被覆于光纤中心的空气孔1-5的内壁上，银纳米层2-1的厚度为50nm，然后在银纳米层2-1上利用化学溶液氯金酸镀有50nm的金纳米层2-2。
所述的空气孔1-5的内部具有折射率可调材料3，调节折射率可调材料3折射率的变化实现该偏振器工作波长的在线调谐。
本发明的有益效果在于：所述偏振器采用双包层双芯中空光纤1的独特结构，在一根光纤中实现可调谐双光束同时起偏、两束相互平行或垂直的偏振光分别从两个输出端口同时输出、且互不串扰；折射率可调材料3封闭于光纤中央的空气孔1-5中，保持偏振器的长期稳定工作，不受外界干扰。此外，该器件还具有消光比高、体积小、插入损耗低、温度变化对器件的影响小、与多芯光纤功能器件兼容性好的特点。
附图说明
图1为一种在线可调谐双芯光纤偏振器的结构示意图；
图2为一种双芯与中央空气孔的位置互成180度的在线可调谐双芯光纤偏振器的横截面示意图；
图3为一种双芯与中央空气孔的位置互成90度的在线可调谐双芯光纤偏振器的横截面示意图；
图4为一种在线可调谐双芯光纤偏振器的截面x方向的折射率分布示意图；
图5为一种在线可调谐双芯光纤偏振器双偏振光束互相平行输出与光纤系统耦合结构示意图；
图6为一种在线可调谐双芯光纤偏振器双偏振光束互相垂直输出与光纤系统耦合结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图1-6对本发明做进一步的描述：
实施例1
所述双包层双芯中空光纤1由外到内分别由外包层1-1、内包层1-2、纤芯1-3和纤芯1-4和空气孔1-5构成。
纤芯1-3和纤芯1-4之间呈90°或180°分布于内包层中，被中央大尺寸的空气孔1-5隔离，以保证两纤芯互不串扰。
纤芯1-3和纤芯1-4均与空气孔1-5的内壁距离小于3μm，以保证与空气孔1-5中折射率可调材料3的强消逝场作用。
由于光纤的空气孔1-5具有大尺寸特点(空气占空比高)，故采用双包层结构以保证纤芯1-3和纤芯1-4对光的强束缚能力。
银/金双金属纳米薄层2被覆于空气孔1-5的内壁，与纤芯1-3和纤芯1-4构成介质/金属结构，满足通信波段表面等离子体共振(SPR)条件，即双金属纳米薄层吸收掉光纤中垂直于金属面振动的偏振光(TM偏振模)，与其平行的偏振光(TE偏振模)保留下来。
由于SPR共振波长对环境折射率十分敏感，当光纤中央的空气孔1-5中充入折射率可调材料3、并与银/金双金属纳米薄层2相互作用时，共振波长发生红移或蓝移，从而实现双芯光纤偏振器工作波长在线可调谐。
图3中的ε1和ε2分别表示银(Ag)纳米层2-1和金(Au)纳米层2-2的介电常数；n4、n3、n2、n1分别表示所述纤芯1-3和1-4、内包层1-2、外包层1-1、空气孔1-5中调谐介质折射率，且n4>n3>n2>n1。
参阅图2，一种双芯位置互成180°在线可调谐双芯光纤偏振器横截面示意图，和图5的一种在线可调谐双芯光纤偏振器双偏振光束互相平行输出与光纤系统耦合结构示意图。
具体包括以下步骤：
将一根常规单芯单模光纤置于本发明所提供的一种在线可调谐双芯光纤偏振器前端，作为入射光纤。采用公知的光纤拉锥耦合工艺将入射光能量均匀分配到所述偏振器的两个纤芯中。所述偏振器后端对接耦合光纤系统，该光纤系统为多芯光纤基系统、或为两个分立单芯光纤系统。
所述双芯光纤偏振器中存在两个正交偏振模：TE模和TM模。纤芯1-3、纤芯1-4和双金属薄层形成介质-金属表面结构，在某波长处满足表面等离子体共振条件时，振动方向垂直于金属膜的TM模会被吸收掉，振动方向平行于金属膜的TE模低损通过。如图2和图5所示，双芯光纤中纤芯1-3、纤芯1-4位置呈180°对称分布，在一根光纤中实现双光束同时起偏，即两束相互平行的线偏振光分别同时从纤芯1-3和纤芯1-4中输出。由于纤芯1-3和纤芯1-4被中心大尺寸空气孔1-5隔离，纤芯1-3和纤芯1-4互不串扰。
通过引入折射率可调材料3实现偏振器工作波长在线调谐功能。由于表面等离子体共振波长对周围环境折射率变化十分敏感，双芯光纤中心大尺寸的空气孔1-5中充入折射率可调材料3、并与银(Ag)纳米层2-1和金(Au)纳米层2-2相互作用，SPR共振波长发生红移或蓝移，从而实现多芯光纤偏振器工作波长在线调谐功能。
实施例2：
参阅图3，一种双芯位置互成90°在线可调谐双芯光纤偏振器横截面示意图，和图6一种在线可调谐双芯光纤偏振器双偏振光束互相垂直输出与光纤系统耦合结构示意图。
与实施例1相比，本实施例唯一不同之在于：双芯光纤中纤芯1-3和纤芯1-4的位置呈90°分布，在一根光纤中实现双光束同时起偏，即两束相互垂直的线偏振光分别同时从纤芯1-3和纤芯1-4中输出。
这里必须指出的是，本发明中给出的其他未说明的实施方式和结构说明因为都是本领域的公知方式和公知结构，根据本发明所述的名称或描述，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未做进一步说明。本方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术。

Claims (4)

1.一种在线可调谐双芯光纤偏振器，其特征在于：所述的偏振器由一段双包层双芯中空光纤(1)、银/金双金属纳米薄层(2)和折射率可调材料(3)构成，其中双包层双芯中空光纤(1)从外到内分别由外包层(1-1)、内包层(1-2)、第一纤芯(1-3)、第二纤芯(1-4)、空气孔(1-5)构成，第一纤芯(1-3)和第二纤芯(1-4)之间的角度呈90°或180°对称分布于内包层(1-2)中，被中央空气孔(1-5)隔离；银/金双金属纳米薄层(2)被覆于空气孔(1-5)的内壁，从外到内分别由银纳米层(2-1)和金纳米层(2-2)构成；折射率可调材料(3)被置于光纤中央空气孔(1-5)中，进而在一根光纤中实现工作波长可调谐、双光束同时起偏、两束相互平行或垂直的偏振光分别从一根光纤中的两个输出端口同时输出、且互不串扰。
2.根据权利要求1所述的一种在线可调谐双芯光纤偏振器，其特征在于：所述的双包层双芯中空光纤(1)的内包层(1-2)的折射率大于外包层(1-1)的折射率，光纤中心处有一个大尺寸圆形空气孔(1-5)，第一纤芯(1-3)和第二纤芯(1-4)之间的角度呈90°或180°对称分布于内包层(1-2)中，并均与空气孔(1-5)内壁的距离小于3μm。
3.根据权利要求1所述的一种在线可调谐双芯光纤偏振器，其特征在于：所述的银纳米层(2-1)通过化学银镜反应被覆于光纤中心的空气孔(1-5)的内壁上，银纳米层(2-1)的厚度为50nm，然后在银纳米层(2-1)上利用化学溶液氯金酸镀有50nm的金纳米层(2-2)。
4.根据权利要求1所述的一种在线可调谐双芯光纤偏振器，其特征在于：所述的空气孔(1-5)的内部具有折射率可调材料(3)，调节折射率可调材料(3)折射率的变化实现该偏振器工作波长的在线调谐。
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