CN110501777B - 一种空芯反谐振光纤偏振滤波器 - Google Patents

一种空芯反谐振光纤偏振滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明属于光子晶体光纤技术领域，具体为一种空芯反谐振光纤偏振滤波器。该光纤结构包括纤芯区域和包层区域；所述纤芯区域为真空区域；所述包层区域包覆在纤芯区域外；所述包层区域由内包层和包覆在内包层外的外包层组成，所述内包层由若干毛细管等间距排布形成的环圈组成；所述内包层毛细管形成的环圈中，分布于y轴方向的毛细管内填充有金属，其余毛细管未填充金属。当纤芯模式和SPP模式满足相位匹配的条件时，两者发生谐振耦合即表面等离子体激元共振效应。本发明设计的金属填充型空芯反谐振光纤在通信波段可以实现良好的偏振滤波功能，可以实现与空芯反谐振光纤的低损耗集成，从而进一步拓宽空芯反谐振光纤的应用领域。

Description

一种空芯反谐振光纤偏振滤波器
技术领域
本发明属于光子晶体光纤技术领域，具体涉及一种具有偏振滤波功能的空芯反谐振光纤。
背景技术
偏振滤波器是光纤通信系统和光纤传感系统中必不可少的重要光学器件，在各个领域发挥着其独特的作用。因此，小型化、稳定性好、易于与其他光纤集成的光纤偏振滤波器等偏振器件早已成为研究重点。随着光学器件小型化、集成化的发展趋势日益明显，金属型光子晶体光纤偏振滤波器通过在光纤空气孔中填充金属或者涂覆金属薄膜可以实现表面等离子体激元(SPP模式)的激发，利用纤芯模式和SPP模式满足相位匹配条件时的表面等离子体激元共振效应可以实现光纤的偏振滤波效应。金属型光子晶体光纤偏振滤波器可以将表面等离子体激元共振效应与光子晶体光纤的结构多变性相结合，由于其结构多样可变性、工作波长可调性、消光比高、带宽宽等优势特性，金属型光子晶体光纤偏振滤波器已经成为一个研究热点。
在光子晶体光纤结构内成功实现金属的填充和涂覆是实现金属型光子晶体光纤偏振滤波器应用的重要前提。其中，金属填充型光子晶体光纤可以基于高温压力技术和拼接压力辅助熔融填充技术完成制备，金属涂覆型光子晶体光纤可以利用高压化学气相沉积法、还原反应沉淀法、基于银镜反应的化学涂层方法等完成制备。基于各种实验方法成功实现金属型光子晶体光纤的制作为探索各种基于等离子体激元共振效应的光纤偏振器件的设计奠定了良好的基础。然而，诸多金属型光纤偏振滤波器都是基于实芯光子晶体光纤来进行设计。此外，为了使两个偏振方向基模的损耗峰分离开来，通常需要通过多种方式如引入包层不对称性、修改空气孔尺寸，甚至在包层空气孔中填充液体来实现光子晶体光纤的高双折射，这都为偏振器件的实际制作带来了难题。此外，近年来，随着空芯光子晶体光纤研究的推进，空芯光子晶体光纤由于其优越特性在超短脉冲或高功率激光传输、光纤陀螺、超连续光谱、光纤传感等领域有着广阔的应用前景。因此，广泛展开空芯光纤偏振器件的研究，可以进一步推动空芯光纤的应用发展。
本发明提出一种基于表面等离子体激元共振效应的空芯反谐振光纤偏振滤波器，该光纤为具有新型结构的金属填充型空芯反谐振光纤，由于其结构特殊性，无需在光纤包层中引入不对称性即可分离两个偏振方向基模的损耗峰，可以使得在特定波长处其中一个偏振方向基模的损耗达到峰值，而另一个偏振方向基模则可以束缚在光纤中传输，从而实现偏振滤波的功能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种消光比高、插入损耗低、工作带宽宽的空芯反谐振光纤偏振滤波器。
本发明提出的空芯反谐振光纤偏振滤波器，是基于表面等离子体激元共振效应以实现光纤的偏振滤波效应；所述光纤结构包括纤芯区域和包层区域；所述纤芯区域为真空区域；所述包层区域包覆在纤芯区域外；所述包层区域由内包层和包覆在内包层外的外包层组成，所述内包层由若干毛细管等间距排布形成的环圈组成；所述内包层毛细管形成的环圈中，分布于y轴方向的毛细管内填充有金属材料，其余毛细管内未填充金属材料。
本发明中，毛细管的总数一般为偶数。
本发明中，所述光纤的纤芯直径为D，包层毛细管厚度为t，毛细管数量为k，毛细管内径为d，毛细管间距为g。上述光纤结构参数满足表达式D=(d+2t+g)/sin(π/k)-(d+2t)。所述光纤纤芯直径D为15-35 μm，包层毛细管厚度t为250-400 nm，包层毛细管数量k为6-10个，毛细管内径d为6-13 μm，毛细管间距为1-5 μm。
本发明中，所述填充金属的毛细管内，其填充物为金属薄膜（以涂覆方式）或金属微棒（以填充方式），以实现光纤的偏振滤波效应。
本发明中，所述分布于y轴方向的毛细管内填充有金属材料，金属材料可为金、银、铝等。下面将以金为例，作进一步阐述。
金的介电常数表达式由Drude-Lorentz 模型定义，其表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，ε∞是高频介电常数，ε∞= 5.9673，ω代表导光角频率，ωD和γD分别代表等离 子体频率和阻尼频率，ωD/2π= 2113.6 THz，γD/2π= 15.92 THz，
Figure 510612DEST_PATH_IMAGE002
是加权因子，
Figure 759191DEST_PATH_IMAGE002
= 1.09，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 780499DEST_PATH_IMAGE004
表示洛伦兹振荡的频率和谱宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
= 650.07 THz，
Figure 930290DEST_PATH_IMAGE006
=104.86 THz。
技术人员可以对本发明作各种改动或修改，如修改光纤结构尺寸、填充金属种类、填充金属数量、涂覆金属薄膜等方式优化偏振滤波效应，这些等效变化同样落入本发明权利要求所限定的范围。
本发明提出的金属填充型空芯反谐振光纤中，在分布于y轴方向的毛细管内填充金属，在填充金属表面可以激发出各阶SPP模式，当纤芯模式与SPP模式同时满足模式有效折射率和偏振方向相同的条件时，即满足相位匹配条件。例如，通过改变光纤结构参数，使得纤芯模式与SPP模式在不同波长处实现模式有效折射率相同和偏振方向相同的条件，即满足相位匹配条件。
纤芯模式将与SPP模式发生谐振耦合，致使能量从纤芯转移到金属丝表面所激发的SPP模式。而由于SPP模式的高损耗特性，该偏振方向纤芯基模的损耗即达到峰值。在基于实芯光子晶体光纤的偏振滤波器中，通常需要在光纤中通过改变空气孔的大小、排布方式甚至填充液体以引入双折射来实现两偏振方向基模损耗峰值的分离，这也为实际制作带来了困难。而由于空芯反谐振光纤的结构独特性，各阶不同偏振方向SPP模式的色散曲线可以自动分离，使得两个偏振方向基模的高损耗峰分别在不同波长处出现，表明金属填充型空芯反谐振光纤十分有利于空芯光纤偏振滤波器的设计。
本发明的有益之处在于：
1.本发明所采用的光子晶体光纤为空芯反谐振光纤，无需改变光纤内包层毛细管的大小即可实现不同偏振方向SPP模式的自动分离以实现两个偏振方向基模损耗峰的分离；
2.本发明所采用的光子晶体光纤为空芯反谐振光纤，填充金属的毛细管直径相比其他金属型光子晶体光纤填充金属的空气孔直径较大，易于实现金属的选择性填充；
3.本发明所提出的空芯反谐振光纤偏振滤波器具有高消光比、低插入损耗、宽工作带宽等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中金属填充型空芯反谐振光纤结构示意图。
图2为本发明实施例中金属填充型空芯反谐振光纤所激发的x偏振和y偏振方向的各阶SPP超模的模场图(a-f)。
图3为本发明实施例中金属填充型空芯反谐振光纤的纤芯基模和SPP超模的模式色散曲线图。
图4为本发明实施例中金属填充型空芯反谐振光纤的纤芯基模损耗曲线图。
图5为本发明实施例中金属填充型空芯反谐振光纤在不同谐振波长处x偏振与y偏振方向纤芯基模的模场图。
图6为本发明实施例中金属填充型空芯反谐振光纤的消光比ER曲线图。
图7为本发明实施例中金属填充型空芯反谐振光纤与金属未填充型空芯反谐振光纤集成示意图。
图8为金属未填充型空芯反谐振光纤中1550 nm波长处x偏振与y偏振方向纤芯基模的模场图(a,b)，以及金属填充型空芯反谐振光纤中1550 nm波长处x偏振与y偏振方向纤芯基模的模场图(c,d)。
具体实施方式
为了更详细地说明本发明，下面结合附图具体对本发明作进一步的详细阐述。
图1为本发明所提出的新型金属填充型空芯反谐振光纤结构示意图，包括空气纤芯、环绕在纤芯周围的一圈毛细管内包层、包覆在毛细管环圈外的外包层、以及在y轴方向毛细管内填充的金属金。空气纤芯的直径D为20μm，石英毛细管的数量k为8个，每个石英毛细管的内直径d为10 μm，毛细管厚度为362 nm，相邻毛细管的间隙为g为1.03 μm。
图2(a-d)为本发明所提出的金属填充型空芯反谐振光纤所激发的各阶SPP超模的模场图，其中箭头表示其偏振方向。如图2(a-d)所示，金属填充型空芯反谐振光纤将会在y轴方向毛细管内的填充金属表面激发出x偏振和y偏振方向的各阶SPP超模，如x-SPP0a、x-SPP0b、y-SPP1a、y-SPP1b、x-SPP2a、x-SPP2b模式，并且根据各阶SPP超模的模场图可以看出x-SPP0b、y-SPP1b和x-SPP2b超模的偏振方向是相同的，而x-SPP0a、y-SPP1a和x-SPP2a超模的偏振方向是相反的。
图3为本发明所提出的金属填充型空芯反谐振光纤的纤芯基模和SPP超模的模式色散曲线图。从图3中可以发现，各阶SPP超模的色散曲线都会与x偏振和y偏振方向纤芯基模的色散曲线相交，但纤芯基模的有效折射率仅在纤芯基模与具有相同偏振方向SPP超模的色散曲线交叉点处出现了明显增加。也就是说，具有相反偏振方向的SPP超模与纤芯基模的色散曲线相交时并不会对纤芯模式的色散曲线有明显影响，只有具有相同偏振方向的SPP超模与纤芯基模的色散曲线相交时才满足相位匹配条件，使得该偏振方向纤芯基模的色散曲线出现明显上升。
图4为本发明所提出的金属填充型空芯反谐振光纤的纤芯基模损耗曲线图。当具有相同偏振方向的SPP超模与纤芯基模满足相位匹配条件时，该偏振方向的纤芯基模就可以耦合到金属表面激发的SPP超模，由于SPP模式的高损耗特性，该偏振方向基模的损耗也达到了峰值，如图4所示。由于图3中x偏振和y偏振方向SPP超模的模式色散曲线的自动分离，使得x偏振和y偏振方向基模的损耗峰值在不同波长处出现，x偏振方向基模的损耗峰分别在1447 nm与1550 nm波长处出现，而y偏振方向基模的损耗峰出现在1493 nm，从而可以实现空芯反谐振光纤的偏振滤波功能。在1550 nm波长处，x偏振方向基模的损耗为45.52dB/cm，而y偏振方向的损耗为0.60dB/cm，因此可以实现在通信波长1550 nm处的偏振滤波。
图5为本发明所提出的金属填充型空芯反谐振光纤在不同谐振波长处x偏振和y偏振方向的纤芯基模模场图。如图所示，在1447 nm 与1550 nm波长处，x偏振方向的基模与具有相同偏振方向的SPP超模出现了明显耦合现象，部分模场分布在金属表面，而y偏振方向基模的模场则束缚在纤芯中。在1493 nm波长处，y偏振方向的基模与具有相同偏振方向的SPP超模出现了明显耦合，而x偏振方向的基模的模场则可以束缚在纤芯中。
图6为本发明所提出的金属填充型空芯反谐振光纤长度为1厘米时的消光比ER曲线图。消光比ER是衡量偏振滤波器滤波特性的重要参数，当消光比大于20dB或小于-20dB时，偏振滤波器就可以将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，在1550 nm波长处，偏振消光比ER为44.92dB，y偏振方向基模损耗为0.60dB/cm，消光比大于20dB 的工作带宽为41 nm，所设计的金属填充型空芯反谐振光纤在1528 nm到1569 nm的波长范围内都可以实现良好的偏振滤波效应。
图7为本发明所提出的金属填充型空芯反谐振光纤与金属未填充型空芯反谐振光纤集成示意图，金属填充型空芯反谐振光纤的两端分别与金属未填充型空芯反谐振光纤相熔接，其中右端的空芯反谐振光纤应为保偏光纤以保持y偏振方向的基模在1550 nm波长处稳定传输。考虑光纤端面的模场大小、模式形状、菲涅耳反射等因素，未填充金属型空芯反谐振光纤与填充金属型空芯反谐振光纤的对接点的耦合损耗为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中Ei, Hi (Et, Ht)分别是未填充光纤（填充光纤）基模的归一化电场和磁场矢量。其中归一化表达式为：
Figure 690435DEST_PATH_IMAGE008
其中，A是光纤横截面面积；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为ｚ方向的单位矢量。
图8(a,b)分别为金属未填充型空芯反谐振光纤中1550 nm波长处x偏振与y偏振方向基模的模场图；图8(c,d)分别为金属填充型空芯反谐振光纤中1550 nm波长处x偏振与y偏振方向基模的模场图。对于本发明所提出的金属未填充型空芯反谐振光纤与金属填充型空芯反谐振光纤的集成，x偏振方向和y偏振方向基模的耦合损耗在1550 nm波长处分别为3.78 dB与0.02 dB，x偏振方向基模的耦合损耗明显大于y偏振方向基模的耦合损耗，这是由于在1550 nm波长处，x偏振方向基模与SPP超模发生谐振耦合导致其部分模场能量局域在包层毛细管金属表面，而y偏振方向基模的模场可以很好的束缚在纤芯中，如图8(a-d)所示。x偏振方向基模在两种光纤的对接点的耦合损耗大于y偏振方向基模在对接点的耦合损耗可以进一步增强该金属填充型空芯反谐振光纤的偏振滤波效应。此外，由于填充金属分布于光纤中间位置处，因此两端拼接点的耦合损耗都需要考虑。另外，相同空芯光纤之间小于0.2 dB的熔接损耗可以使得y偏振方向基模的插入损耗明显小于0.5 dB，表明该金属填充型空芯反谐振光纤的y偏振方向的基模可以很好的束缚在纤芯中传输。终上所述，本发明所提出的金属填充型空芯反谐振光纤偏振滤波器可以在通讯波段1550 nm处实现偏振消光比为 44.92 dB，插入损耗小于0.5 dB，工作带宽为41 nm的良好偏振滤波效应。

Claims (3)

1.一种空芯反谐振光纤偏振滤波器，是基于表面等离子体激元共振效应以实现其偏振滤波效应，其特征在于，所述光纤结构包括纤芯区域和包层区域；所述纤芯区域为真空区域；所述包层区域包覆在纤芯区域外；所述包层区域由内包层和包覆在内包层外的外包层组成，所述内包层由若干毛细管等间距排布形成的环圈组成；所述内包层毛细管形成的环圈中，分布于y轴方向的毛细管内填充有金属，其余毛细管未填充金属；
记所述光纤的纤芯直径为D，包层毛细管厚度为t，毛细管数量为k，毛细管内径为d，毛细管间距为g；上述光纤结构参数满足表达式D=(d+2t+g)/sin(π/k)-(d+2t)；所述光纤纤芯直径D为15-35 μm，包层毛细管厚度t为250-400 nm，包层毛细管数量k为6-10 个，毛细管内径d为6-13 μm，毛细管间距为1-5 μm；所述毛细管间距为相邻毛细管外壁之间的间距。
2.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤偏振滤波器，其特征在于，所述填充金属的毛细管内涂覆金属薄膜或填充金属微棒，以实现光纤的偏振滤波效应。
3.根据权利要求2所述的空芯反谐振光纤偏振滤波器，其特征在于，所述填充金属为金、银或铝金属材料。
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