CN110412682A - 基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤以及采用该光纤的偏振滤波器 - Google Patents
基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤以及采用该光纤的偏振滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤以及采用该光纤的偏振滤波器,本发明的高双折射光子晶体光纤用于偏振滤波器,并由纤芯、包层大空气孔、小空气孔以及填充的金纳米线构成,且以石英材料作背景材料;其中,高双折射光子晶体光纤的横截面为由空气孔的正六边形阵列晶格分布形成,其中心空气孔缺失构成芯区,两正交偏振方向不同大小的空气孔导致结构的非对称性形成光纤高双折射区,且第二层空气孔中填充所述金纳米线。本发明的光纤通过调节纤芯区域的高双折射特性,在高双折射光子晶体光纤的空气孔中填充金纳米线,而通过改变空气孔直径,可选择性的滤掉特定波长下某一偏振方向的光,实现特定波长的光波信号的高品质传输。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤技术领域,特别涉及一种用于偏振滤波器的基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,同时本发明也涉及采用上述高双折射光子晶体光纤的偏振滤波器。
背景技术
随着计算机科学技术的不断进步,以及人们生活需求的不断提升,使得光纤通信技术获得腾飞式发展,由此也带动了光纤通信网络中无源器件产业,诸如偏振滤波器、耦合器、合束器、波分复用器、光学开关等的快速崛起,正是这些光纤无源光子器件组成了当今的光纤通信系统网络。光子晶体光纤在实际应用中能够表现出诸多优良特性,例如极高的双折射、极好的偏振滤波特性、灵活的波长选择特性,以及极强的抗干扰耐腐蚀特质等等,由此光子晶体光纤一问世便得到互联网通信领域的高度重视,对其设计与应用的研究推动了光纤通信技术的蓬勃发展。
随着研究的不断深入,人们发现当改变光子晶体光纤的气孔直径、间距和形状时,它的传输特性也会随着自变量的变化而变化,因此可以通过改变自变量的数值来制造不同功能的无源光子器件。通过合理优化设计光子晶体光纤包层或者纤芯的结构参数,光子晶体光纤能够实现无截止单模传输特性、超低损耗特性、灵活可控的色散特性、以及高非线性特性等,进而有利促进了光子晶体光纤的广泛应用。
目前,研究发现在光子晶体光纤空气孔中填充金属线,改变空气孔直径以及填充金属线直径能够灵活的调节纤芯基模与表面等离子激元之间共振响应波长点的位置和耦合强度,进而实现光纤的偏振滤波功能,而且随着科研水平的不断深入,金属线填充型的表面等离子体共振光纤的制作,其亦取得了巨大的进步。不过,对于常用的光纤偏振滤波器来说,其实现高效偏振滤波的范围较窄、效率较低、易损坏,并且其所需光纤长度长,体积较大,进而导致集成困难等问题,这些缺陷也阻碍了光信号的高品质传播。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提出一种基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,以能够提高可实现偏振滤波效应的高双折射光子晶体光纤。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,该高双折射光子晶体光纤用于偏振滤波器,并由纤芯、包层大空气孔、小空气孔以及填充的金纳米线构成,且以石英材料作背景材料;其中,所述高双折射光子晶体光纤的横截面为由空气孔的正六边形阵列晶格分布形成,其中心空气孔缺失构成芯区,所述大空气孔包括有孔径依次减小的第一大空气孔、第二大空气孔和第三大空气孔,两正交偏振方向不同大小的空气孔导致结构的非对称性形成光纤高双折射区,且第二层空气孔中填充所述金纳米线。
进一步的,所述高双折射光子晶体光纤的横截面中,最内层沿某一偏振方向(y)为四个所述第一大空气孔与两个所述小空气孔,沿与其正交的偏振方向(x)最内层为两个所述第三大空气孔,其余空气孔均为所述第二大空气孔,且第二层填充所述金纳米线的空气孔为沿x偏振方向对称分布的两个所述第二大空气孔。
进一步的,所述小空气孔的直径为0.2μm,所述第一大空气孔的直径为0.9μm,所述第二大空气孔的直径为0.8μm,所述第三大空气孔的直径为0.7μm,填充的所述金纳米线的直径为0.8μm。
进一步的,每两个相邻空气孔之间的间距为2μm。
相对于现有技术,本发明具有以下优势:
本发明的高双折射光子晶体光纤通过调节纤芯区域的高双折射特性,为实现偏振滤波奠定基础,在设计的高双折射光子晶体光纤的空气孔中填充金纳米线,而通过改变空气孔直径大小,可选择性的滤掉特定波长下某一偏振方向的光,实现特定波长的光波信号的高品质传输,并且本发明的光纤用于偏振滤波器,只需较短的光纤便能够在通讯波段实现良好的偏振滤波特性,为未来小型化、便携式以及高集成微纳结构器件的设计提供了更为广阔的空间以及灵活的自由度。
本发明的另一目的在于提出一种偏振滤波器,所述偏振滤波器中采用有以上所述的基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,且所述偏振滤波器为应用于近红外波段的偏振滤波。
本发明的偏振滤波器,通过采用如上的高双折射光子晶体光纤,可实现特定波长的光波信号的高品质传输,并能够在通讯波段实现良好的偏振滤波特性,而有着很好的实用性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明实施例所述的高双折射光子晶体光纤的截面示意图;
图2a为本发明实施例中在响应波长1590nm处,x偏振方向光纤基模模场分布图;
图2b为本发明实施例中在响应波长1590nm处,y偏振方向光纤基模模场分布图;
图2c为本发明实施例中在响应波长1620nm处,x偏振方向光纤基模模场分布图;
图2d为本发明实施例中在响应波长1620nm处,y偏振方向光纤基模模场分布图;
图3a为本发明实施例中光纤空气孔直径为0.6μm时有效折射率和限制损耗随光信号波长变化曲线图;
图3b为本发明实施例中光纤空气孔直径为0.7μm时有效折射率和限制损耗随光信号波长变化曲线图;
图3c为本发明实施例中光纤空气孔直径为0.8μm时有效折射率和限制损耗随光信号波长变化曲线图;
附图标记说明:
1-小空气孔,2-第三大空气孔,3-第二大空气孔,4-第一大空气孔,5-金纳米线。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例首先涉及一种基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,该高双折射光子晶体光纤具体为用于偏振滤波器,且由图1中所示的,该高双折射光子晶体光纤由纤芯、包层大空气孔、小空气孔1以及填充的金纳米线5构成,且以石英材料Si作背景材料。
其中,本实施例的高双折射光子晶体光纤的横截面为由空气孔的正六边形阵列晶格分布形成,其中心空气孔缺失构成芯区,并且上述大空气孔包括有孔径依次减小的第一大空气孔4、第二大空气孔3和第三大空气孔2,金纳米线5填充于第二层空气孔中,同时,该高双折射光子晶体光纤两正交偏振方向不同大小的空气孔导致结构的非对称性形成光纤高双折射区。
详细来说,本实施例的高双折射光子晶体光纤的横截面中,最内层沿某一偏振方向(y)为四个第一大空气孔4与两个小空气孔1,沿与其正交的偏振方向(x)最内层为两个第三大空气孔2,其余空气孔则均为第二大空气孔3。第二层填充金纳米线5的空气孔即为沿x偏振方向对称分布的两个第二大空气孔3。
此外,本实施例中作为一种示例性实施方式,上述各包层空气孔中,小空气孔1的直径例如可为0.2μm,第一大空气孔4的直径可为0.9μm,各第二大空气孔3的直径例如可为0.8μm,第三大空气孔2的直径例如可为0.7μm,而填充于两个第二大空气孔3的金纳米线5的直径则为0.8μm。另外,本实施例中每两个相邻空气孔之间的间距Λ为2μm。
本实施例的高双折射光子晶体光纤中,金纳米线5作为产生表面等离子体共振的材料,光纤中的表面等离子体共振效应是光纤基模的光子频率与金属表面的自由点震荡的频率相互匹配时,产生的表面等离子体共振现象,表面等离子体共振是实现对无用光滤波的基础原理。
图2.a至2.d是由以上参数制作的光子晶体光纤,于偏振滤波器中在响应波长1590nm处以及1620nm处的光纤基模模场分布。其中,图2.a是1590nm处x偏振方向光纤基模模场分布,图2.b是1590nm处y偏振方向光纤光纤基模模场分布,图2.c是1620nm处x偏振方向光纤基模模场分布,图2.d是1620nm处y偏振方向的光纤基模模场分布。由图2所示的光子晶体光纤的基模模场结构可分析光信号在光子晶体光纤内进行传输时与填充金纳米线表面发生表面等离子体共振效应的原理和条件,且由图2.a和图2.b、以及图2.c和图2.d能够看出,在同一波长下,光信号的两个正交偏振信号产生共振效应的强度是不同。
为观察孔径参量对光纤传输损耗的影响,图3.a至3.c是光子晶体光纤中其它孔径参量不变,第三大空气孔2直径分别为0.6μm、0.7μm、0.8μm时有效折射率和限制损耗随光信号波长变化曲线图。由图3可以明显的观察出,当光波在所设计的光子晶体光纤结构中传播时,y方向上的限制损耗偏振会明显的高于x方向上的限制损耗偏振值。因此,本实施例的六边形高双折射光子晶体光纤在近红外波段,也即在1620nm波长区域段内对y偏振方向上,以及在1590nm波长区域段内对x偏振方向上的光信号均有比较理想的滤波效果。而且当小空气孔直径取0.7μm时其损耗峰值分别达到了7500dB/m和6650dB/m。
本实施例提供了可实现偏振滤波效应的一种基于金纳米材料填充型表面等离子体共振的近红外波段的高双折射光子晶体光纤,其本身具有较高的结构双折射特性,通过选择性填充适当大小的金属纳米线,也可实现特定通讯波长处的偏振滤波的功能。并且,在该高双折射光子晶体光纤的空气孔中填充金纳米线5,通过改变空气孔直径大小,能够使其在1620nm波长区域段内对y偏振方向上的光信号实现了比较理想的滤波效果。
本实施例的高双折射光子晶体光纤具有在近红外长波段下的单模滤波特性以及可调谐的滤波特性。而通过调控光纤结构孔间距的大小能够实现可调色散特性等其他特征,改变空气孔孔径的大小而其他结构参数保持不变可以改变光子晶体光纤的损耗光谱,并且其可依然保留有良好的滤波特性和光学特性,只需极短长度的光子晶体光纤便能够在通讯波段实现良好的偏振滤波特性,为未来高集成微纳结构器件的设计提供了更为广阔的空间以及灵活的自由度。
本实施例同时也涉及有一种偏振滤波器,该偏振滤波器中即采用有以上所述的基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,且本实施例的该偏振滤波器具体为应用于近红外波段的偏振滤波。
本实施例的偏振滤波器,通过采用前述的高双折射光子晶体光纤,能够实现特定波长的光波信号的高品质传输,并且可在通讯波段实现良好的偏振滤波特性,而有着很好的实用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,其特征在于:该高双折射光子晶体光纤用于偏振滤波器,并由纤芯、包层大空气孔、小空气孔(1)以及填充的金纳米线(5)构成,且以石英材料作背景材料;其中,所述高双折射光子晶体光纤的横截面为由空气孔的正六边形阵列晶格分布形成,其中心空气孔缺失构成芯区,所述大空气孔包括有孔径依次减小的第一大空气孔(4)、第二大空气孔(3)和第三大空气孔(2),两正交偏振方向不同大小的空气孔导致结构的非对称性形成光纤高双折射区,且第二层空气孔中填充所述金纳米线(5)。
2.根据权利要求1所述的基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,其特征在于:所述高双折射光子晶体光纤的横截面中,最内层沿某一偏振方向(y)为四个所述第一大空气孔(4)与两个所述小空气孔(1),沿与其正交的偏振方向(x)最内层为两个所述第三大空气孔(2),其余空气孔均为所述第二大空气孔(3),且第二层填充所述金纳米线(5)的空气孔为沿x偏振方向对称分布的两个所述第二大空气孔(3)。
3.根据权利要求2所述的基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,其特征在于:所述小空气孔(1)的直径为0.2μm,所述第一大空气孔(4)的直径为0.9μm,所述第二大空气孔(3)的直径为0.8μm,所述第三大空气孔(2)的直径为0.7μm,填充的所述金纳米线(5)的直径为0.8μm。
4.根据权利要求3所述的基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,其特征在于:每两个相邻空气孔之间的间距为2μm。
5.一种偏振滤波器,其特征在于:所述偏振滤波器中采用有权利要求1至4中任一项所述的基于金纳米材料填充的高双折射光子晶体光纤,且所述偏振滤波器为应用于近红外波段的偏振滤波。
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