CN109901262B - 一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器，涉及特种光纤、光纤通信技术领域。该偏振转换器基于侧边抛磨双芯光子晶体光纤，包括多层空气孔（11）组成的包层结构，两个相同大小的纤芯（12）、（13），纤芯中间的两个上下对称排布的中心空气孔（14）、（15），以及在两个纤芯外侧的椭圆空气孔（16），椭圆空气孔（16）的长轴与两个中心空气孔（14）、（15）的排布方向大致相同，所述包层结构的背景材料（17）为二氧化硅，所述的光子晶体光纤经过抛磨形成D形结构，使靠近抛磨面的中心空气孔（14）开放，在开放的中心空气孔（14）内表面上涂覆有石墨烯材料层。通过调节电压改变不同偏振方向的输出光功率，实现偏振转换。
Description
本发明涉及特种光纤、光纤通信技术领域，公开了一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器。
背景技术
偏振分束器和偏振转换器是集成光电子电路中的重要部件。入射光可以通过偏振分束器被分成两个正交偏振光，从两个不同的输出端口输出。光束通过偏振转换器，可以使其输出光的偏振模式产生90°的转换。偏振分束器和偏振转换器在光纤通信、光纤传感、光电检测等领域具有广泛的应用。
光子晶体光纤(PCF)作为一种微结构光纤，具有可控双折射、低损耗、大模场面积和无限单模传输特性的优点，因此光子晶体光纤被广泛应用于各种微结构器件的设计。侧边抛磨光子晶体光纤是在光纤侧边抛磨技术的基础上实现的，将光子晶体光纤的侧边进行抛磨，当抛磨接近光子晶体光纤中心的时候，未抛磨前被严格限制在中心传输的光场能量会被泄露出来，在抛磨区形成光子晶体光纤传输光的“窗口”，在此“窗口”可以利用倏逝场来激发、控制、探测光子晶体光纤中的传输光波。在抛磨光子晶体光纤的抛磨区上涂覆金属、石墨烯等材料可以影响光纤的偏振特性，从而实现特定的功能。涂覆金属的侧边抛磨光子晶体光纤偏振器件是基于表面等离子体谐振(SPR)效应，该效应导致两偏振光的损耗不同，从而滤除较高损耗的偏振光。但是涂覆金属的侧边抛磨光子晶体光纤偏振器件只能得到特定方向的偏振光，且器件损耗比较大。
石墨烯作为一种新兴的二维超材料，具有高迁移率、可调节的费米能级、可饱和吸收特性等优异性能，使得基于石墨烯的光学器件在近些年来得到了广泛的研究。石墨烯的电导率可以通过改变化学势来进行调节。现有的石墨烯涂覆的侧边抛磨光纤的偏振转换器件，在光纤的抛磨面上涂覆有石墨烯层，通过施加外部栅极电压调节石墨烯化学势实现对光纤传输偏振态的调制。但是由于石墨烯被认为是一种各向异性的材料，介电常数在与石墨烯平面垂直的方向为固定常数，因此涂覆在侧边抛磨光纤抛磨面上的石墨烯层只能对单一方向的偏振光进行调制。
发明内容
本发明所要解决的问题是，克服目前大多数基于石墨烯涂覆侧边抛磨光纤偏振转换器只能对单一偏振模式调制中这一问题，提供一种新型的石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器。
本发明采用如下技术方案：
一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转器，该偏振转换器基于侧边抛磨双芯光子晶体光纤。侧边抛磨双芯光子晶体光纤包括六边形阵列排布的多层空气孔组成的光纤包层、两个上下对称排布的中心空气孔和两个相同大小的纤芯，且两个纤芯旁边有两个椭圆空气孔。利用光纤侧边抛磨技术对双芯光子晶体光纤的上半部分进行抛磨，控制抛磨深度使靠近抛磨面的中心空气孔开放。开放的中心空气孔表面涂覆有石墨烯层和聚甲基丙烯酸甲酯层(PMMA)的复合层结构。PMMA层用于增强石墨烯与光场的相互作用。石墨烯和PMMA的复合层可以有不限于1层到5层的多层复合结构。
一种通过对光纤抛磨面上开放的中心空气孔表面的石墨烯涂覆层加载电压，调节石墨烯的化学势，从而改变该光纤的偏振分束特性的调制方法，可实现传输光的偏振转换。从光纤的两个纤芯之一输入不同偏振方向的混合光束。经过特定的传输距离，在输出侧两个偏振模式的光束通过分束器从两个纤芯分离。通过对光纤抛磨面上开放的中心空气孔表面的石墨烯层外加偏置电压等方式，改变其化学势，从而影响不同偏振方向光束的有效折射率，输出端不同偏振方向的传输模式的归一化输出光功率也随之改变，达到一定的消光比时即实现了偏振转换。
本发明的有益效果具体如下
一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器，其开放中心孔涂覆的石墨烯材料层可以调制不同偏振方向传输光，在输出端可实现偏振转换。由于其全光纤结构，有利于耦合到光纤系统当中。另外其具有较小尺寸、高偏振消光比等特点，可广泛应用于全光通讯领域，具有良好的发展前景。
附图说明
图1是石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器的横截面示意图。
图2是靠近抛磨面开放的中心空气孔表面涂覆的石墨烯和PMMA复合层结构示意图。
图3为证明器件的偏振调制特性，光纤的四个传输基模的有效折射率随化学势变化示意图。
图4为证明器件的偏振分束特性，光纤不同偏振方向的传输模式的归一化输出光功率随传输距离的变化示意图。
图5为验证器件的偏振转换特性，在传输距离为271.5μm时，光纤不同偏振方向的传输模式的归一化输出及消光比随化学势变化示意图。
图6为验证器件的偏振转换特性，在传输距离为839.56μm时，光纤不同偏振方向的传输模式的归一化输出及消光比随化学势变化示意图。
具体实施方式
下面给出实施例，对一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器作进一步描述。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例一
一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器的横截面如图1所示，光纤包层由六边形阵列排布的多层空气孔11组成，两个相同大小的纤芯12、13位于上下对称排布的中心气孔14、15两侧。两个纤芯旁边有两个椭圆空气孔16。所述气孔和纤芯为多个轴向的空气通孔，包层背景材料17为二氧化硅。光子晶体光纤经过抛磨形成D形结构，使靠近抛磨面的中心气孔14开放，图2为开放的中心空气孔14表面的石墨烯涂覆层21和PMMA涂覆层22的复合结构。
实例中石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器，随着石墨烯的化学势改变，光纤的四个传输基模的有效折射率均随之变化。其变化关系如图3所示，在化学势为0.4eV时，传输的各奇偶模式(X偏振方向偶模31，X偏振方向奇模32，Y偏振方向偶模33，Y偏振方向奇模34)有效折射率均达到最大值。另外，偶模的有效折射率比奇模的有效折射率变化更加明显。
实施例二
一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器的横截面如图1所示，光纤包层由六边形阵列排布的多层空气孔11组成，两个相同大小的纤芯12、13位于上下对称排布的中心气孔14、15两侧。两个纤芯旁边有两个椭圆空气孔16。所述气孔和纤芯为多个轴向的空气通孔，包层背景材料17为二氧化硅。光子晶体光纤经过抛磨形成D形结构，使靠近抛磨面的中心气孔14开放，图2为开放的中心空气孔14表面的石墨烯涂覆层21和PMMA涂覆层22的复合结构。
实例中石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器，由于两种偏振模式的耦合长度之间的差异，在一定的传输距离之后两个纤芯输出端口的输出光将处于不同的偏振态。当石墨烯化学势为0.4eV时，入射光以纤芯12作为输入端口，纤芯12的不同偏振方向传输模式的归一化输出光功率随传输距离变化如图4所示。它表明，X偏振光41和Y偏振光42的耦合长度分别为24.58μm和27.20μm，耦合长度比为1.10。当传输距离为271.5μm时，X偏振光41的输出功率接近于零，而Y偏振光42的输出功率达到最大值。此时纤芯12仅输出Y偏振光，纤芯13仅输出X偏振光，因此两个偏振光被分离。
实施例三
一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器的横截面如图1所示，光纤包层由六边形阵列排布的多层空气孔11组成，两个相同大小的纤芯12、13位于上下对称排布的中心气孔14、15两侧。两个纤芯旁边有两个椭圆空气孔16。所述气孔和纤芯为多个轴向的空气通孔，包层背景材料17为二氧化硅。光子晶体光纤经过抛磨形成D形结构，使靠近抛磨面的中心气孔14开放，图2为开放的中心空气孔14表面的石墨烯涂覆层21和PMMA涂覆层22的复合结构。
实例中石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器，通过外加偏置电压等方式改变石墨烯的化学势，输出端不同偏振方向的输出光功率也随之改变。当传输距离为271.5μm时，入射光以纤芯12作为输入端口，纤芯12的不同偏振方向传输模式的归一化输出光功率和消光比随化学势的关系如图5所示。石墨烯化学势的变化范围为0.4至1.0eV。当石墨烯化学势为0.4eV时，X偏振光51的输出功率接近于零。同时，Y偏振光52的输出功率达到最大值，此时的消光比53大于45.2dB。随着化学势增加，X偏振光51的输出功率上升到0.99，Y偏振光52的输出功率下降到0.2。消光比53在45.2dB至-6.7dB之间变化，此时无法实现偏振模式转换。
实施例四
一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器的横截面如图1所示，光纤包层由六边形阵列排布的多层空气孔11组成，两个相同大小的纤芯12、13位于上下对称排布的中心气孔14、15两侧。两个纤芯旁边有两个椭圆空气孔16。所述气孔和纤芯为多个轴向的空气通孔，包层背景材料17为二氧化硅。光子晶体光纤经过抛磨形成D形结构，使靠近抛磨面的中心气孔14开放，图2为开放的中心空气孔14表面的石墨烯涂覆层21和PMMA涂覆层22的复合结构。
实例中石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器，通过外加偏置电压等方式改变石墨烯的化学势，输出端不同偏振方向的输出光功率也随之改变。当传输距离为839.56μm时，入射光以纤芯12作为输入端口，纤芯12的不同偏振方向传输模式的归一化输出光功率和消光比随化学势的关系如图6所示。石墨烯化学势的变化范围为0.4至0.7eV。当石墨烯化学势为0.4eV时，X偏振光61的输出功率接近最大值。同时，Y偏振光61的输出功率接近于零，并且消光比63小于-39.0dB。随着化学势的增加，X偏振光61的输出功率开始下降，并且Y偏振光62的输出功率开始增大。当化学势增加到0.536eV时，X偏振光61的输出功率接近最大值，而Y偏振光62的输出功率接近于0。相应的消光比63小于65.0dB，从而实现了偏振模式转换。
Claims (3)
1.一种石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器，其特征在于，所述的偏振转换器基于侧边抛磨双芯光子晶体光纤，包括多层空气孔（11）组成的包层结构，两个相同大小的纤芯（12）、（13），纤芯中间的两个上下对称排布的中心空气孔（14）、（15），以及在两个纤芯外侧的椭圆空气孔（16），椭圆空气孔（16）的长轴与两个中心空气孔（14）、（15）的排布方向大致相同，所述包层结构的背景材料（17）为二氧化硅，所述的光子晶体光纤经过抛磨形成D形结构，使靠近抛磨面的中心空气孔（14）开放，在开放的中心空气孔（14）内表面上涂覆有石墨烯材料层。
2.根据权利要求1所述的偏振转换器，其特征在于，所述的侧边抛磨双芯光子晶体光纤靠近抛磨面开放的中心空气孔（14）内表面上涂覆的材料层可以是单层或多层的石墨烯，也可以是石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯的复合层。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯涂覆的侧边抛磨双芯光子晶体光纤偏振转换器的偏振转换方法，其特征在于，将混合的偏振光束从某一纤芯输入，通过特定的传输距离后，从两个 所述 相同大小的纤芯（12）、（13）输出不同偏振方向的光束，对开放的中心空气孔（14）表面石墨烯材料层加载电压，调节石墨烯层的化学势，纤芯输出光的偏振方向发生反转，实现偏振转换。
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