CN110568545A - 光子晶体光纤偏振滤波器 - Google Patents

光子晶体光纤偏振滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤偏振滤波器，包括位于最外层的吸收层，吸收层内设有基底，所述基底内包裹有包层大空气孔、小空气孔，包层大空气孔包括若干个外层大空气孔和第二层大空气孔，外层大空气孔内填充有金属丝，且外层大空气孔沿基底的内周呈正六边形周期分布，正六边形结构的中心右侧外层大空气孔缺失构成正六边形区域，该区域上下两侧各分布一层第二层大空气孔，在正六边形区域内设有光纤高双折射区；光纤高双折射区中心空气孔缺失构成椭圆形纤芯。本发明用于解决现有技术解决现有技术中缺少对近红外通讯波段的滤除的光子晶体光纤偏振滤波器的问题，其结构简单，损耗低，传输效率高。本发明属于光纤技术领域。

Description

光子晶体光纤偏振滤波器
技术领域
本发明属于光纤技术领域，涉及一种光子晶体光纤结构，具体地说是一种光子晶体光纤偏振滤波器。
背景技术
偏振滤波器主要是依据不同方向的偏振光损耗不同，在特定波长处将某一偏振方向的光滤除，从而达到光的单偏振输出。偏振滤波器可用于光纤起偏器、光纤通信、光纤传感等领域，是光纤技术领域中的重要器件。
近年来，基于光纤结构的偏振滤波器的原理主要是光纤的双折射效应。由于双折射效应的存在，不同偏振方向模式的有效折射率及损耗不同，通过合理设计实现固定波长处的滤波功能。然而，对于普通单模光纤，由于结构和材料的局限性，其双折射效应和模式损耗受到限制，通常无法实现特定偏振模式的滤除。
1992年St.J.Russell等人提出了光子晶体光纤的概念，1996年J.C.Knight等人利用光子带隙效应成功研制出第一根光子晶体光纤。光子晶体光纤具有低损耗、非线性、双折射效应和单模多芯传输的优点。光子晶体光纤可通过灵活设计，获得较高的双折射特性，可以用来设计偏振滤波器件，然而现有技术中缺少针对近红外通讯波段实现很好的偏振滤波功能的光子晶体光纤滤波器。
发明内容
本发明的目的是提供一种光子晶体光纤偏振滤波器，用于解决现有技术中缺少针对近红外通讯波段实现很好的偏振滤波功能的光子晶体光纤滤波器的问题。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种光子晶体光纤偏振滤波器，它包括位于最外层的吸收层，所述吸收层内设有基底，所述基底内包裹有包层大空气孔、小空气孔，其特征在于：所述包层大空气孔包括若干个外层大空气孔和第二层大空气孔，其中，所述外层大空气孔内填充有金属丝，且外层大空气孔沿基底的内周呈正六边形周期分布，且正六边形结构的中心右侧外层大空气孔缺失构成正六边形区域，正六边形区域上下两侧各分布一层第二层大空气孔，在正六边形区域内、两层第二层大空气孔中间、分别沿两正交偏振方向分布的小空气孔形成的光纤高双折射区；光纤高双折射区中心空气孔缺失构成椭圆形纤芯。
作为对本发明的限定：所述沿两正交偏振方向分布的小空气孔包括在x偏振方向分布的两个小空气孔，以及在y偏振方向分布的两个小空气孔，四个小空气孔构成菱形结构。
作为对本发明的另一种限定：每层所述第二层大空气孔个设有两个第二层大空气孔，所述第二层大空气孔直径d1为1.0μm；：所述小空气孔直径d2为0.3μm；所述外层大空气孔直径d3为0.5μm，相邻两个外层大空气孔之间的孔距为1.5μm。
作为对本发明的最后一种限定：所述填充金属丝为直径dAg为0.5μm的银纳米线。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：
（1）本发明提供的一种光子晶体光纤偏振滤波器，外层大空气孔呈正六边形周期分布，其结构中心右侧外层大空气孔缺失构成正六边形区域，正六边形区域上下两侧各分布一层第二层大空气孔，在正六边形区域内、两层第二层大空气孔中间分布有小空气孔，所述小空气孔分别沿两正交偏振方向分布，形成光纤高双折射区，进而令本发明的光纤高双折射区光斑集中，有很好的传输能力，从而大大地降低了损耗，提高了传输效率，在近红外通讯波段附近发生共振耦合现象从而实现很好的偏振滤波功能。
（2）本发明中小空气孔直径d2设为0.3μm，使x偏振方向的损耗峰出现在波长为1.24μm处，此时x偏振方向的损耗为10800dB/m，y方向的损耗为300dB/m，二者差值很大，从而起到了过滤x偏振方向波段的作用；y偏振方向的损耗峰出现在波长为1.32μm处，此时y方向的损耗为10200dB/m，x偏振方向的损耗为500dB/m，二者差值很大，从而起到了过滤y偏振方向波段的作用，这样的特点使得本发明具有良好的滤波效果，传输过程损失的能量也更少，传输效率也更高。
（3）本发明中填充的金属丝采用银纳米线，在保证效果能够达到填充金纳米丝效果的同时，有效减低成本。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
图1是本发明实施例的光纤截面示意图；
图2、图3分别是本发明实施例的光纤结构于不同偏振方向的基模图；
图4是本发明实施例的光纤结构的有效折射率和限制损耗的综合图；
图5是小空气孔直径为0.2μm时的光纤结构的限制损耗曲线图；
图6是小空气孔直径为0.4μm时的光纤结构的限制损耗曲线图；
图7是小空气孔直径为0.5μm时的光纤结构的限制损耗曲线图；
图8是小空气孔直径为0.2μm、0.4μm、0.5μm时的光纤结构的限制损耗曲线综合图。
图中：1、基底；2、吸收层；3、外层大空气孔；4、第二层大空气孔；5、小空气孔； 6、孔距。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和理解本发明，并不用于限制本发明。
实施例一种光子晶体光纤偏振滤波器
本实施例如图1所示，包括吸收层2，所述吸收层2内包覆有基底1，所述基底1内设有包层大空气孔、小空气孔5。本实施例中基底1材料为石英材料；吸收层2为完全匹配层。而本实施例的包层大空气孔包括外层大空气孔3和第二层大空气孔4，直径d3为0.5μm的所有外层大空气孔3沿基底1的内周呈正六边形周期分布，相邻两个外层大空气孔3之间的孔距6为1.5μm，而正六边形结构中心右侧外层大空气孔3缺失构成正六边形区域，正六边形区域上下两侧各分布两个直径d1为1.0μm的第二层大空气孔4，在正六边形区域内两层第二层大空气孔4中间x偏振方向为两个小空气孔5，y偏振方向为两个小空气孔5，小空气孔5直径d2为0.3μm，四个小空气孔5呈菱形排列，形成光纤高双折射区；光纤高双折射区中心空气孔缺失构成椭圆形纤芯；直径dAg为0.5μm的银纳米线填充金属丝填充在外层大空气孔3中。
图2、图3所示分别为本实施例的光纤结构与不同偏振方向的基模图，图中光斑处是能量的聚集处，也是纤芯处，纤芯处的能量最强；从图中可以看到光子能量聚集时的偏振方向，偏振方向由箭头指出。通常若光斑形成的越集中，则能量越集中，传输信号也越好，从图中可以看到本发明光斑集中，有很好的传输信号能力。
图4所示为本实施例光纤结构的有效折射率和限制损耗的综合图，图中x轴表示波长，左侧y轴表示限制损耗，右侧y轴表示有效折射率，折线旁边附加的图片是本实施例光纤结构的基模图。从图中可以看到基模图对应有效折射率折线a和b的偏折处，也对应限制损耗曲线c和d的峰值处，这三个位置是相互对应的，在同一波长处产生。产生这种现象的原因是在非共振波长时，波峰前和波峰后为基模（HE11），能量主要集中在核心区；在共振波长时，核心模和电浆子模强烈混合，能量转移到电浆子模中，光能量在光纤结构中传输产生了等离子共振的耦合现象，致使大量的入射光被填充在金属表面的自由电子吸收，不能被反射出去，能量转移到损耗等离子体模式，核心模式的损耗急剧增加，达到峰值形成损耗峰。通常若光纤的有效折射率越小，则光纤的传输速率越小，光纤所能传输的能量也越小，光纤的允许容量也就越小，从图中可以看到本发明有效折射率高，所以光纤的允许容量大。从图中可以看到x偏振方向的损耗峰出现在波长为1.24μm处，此时x偏振方向的损耗很大为10800dB/m，y方向的损耗很小为300dB/m，二者差值很大，光纤中大部分的输出能量来自于y偏振方向，从而起到了过滤x偏振方向波段的作用；y偏振方向的损耗峰出现在波长为1.32μm处，此时y方向的损耗很大为10200dB/m，x偏振方向的损耗很小为500dB/m，二者差值很大，光纤大部分的输出能量来自于x偏振方向，从而起到了过滤y偏振方向波段的作用，这样的特点使得小空气孔5直径为0.3μm时光纤结构具有良好的滤波效果，传输过程损失的能量也更少，传输效率也更高。
图5-7所示分别为小空气孔5直径为0.2μm、0.4μm、0.5μm时光纤结构的限制损耗曲线图，从图5中可以看到x偏振方向的损耗峰出现在波长为1.22μm处，此时x偏振方向的损耗很大为11000dB/m，y方向的损耗很小为1000dB/m，二者差值很大，光纤中大部分的输出能量来自于y偏振方向，从而起到了过滤x偏振方向波段的作用；y偏振方向的损耗峰出现在波长为1.28μm处，但是与x偏振方向的损耗峰相比，此时y偏振方向的损耗相对偏小为6500dB/m，x方向的损耗相对偏大为1500dB/m，二者差值较小，光纤中的输出能量既来自x偏振方向又来自y偏振方向，不能起到过滤y偏振方向波段的作用。同样，当小空气孔5直径分别为0.4μm和0.5μm时，在x偏振方向的损耗峰所处的波长处都能实现较好的偏振滤波功能，但是在y偏振方向的损耗峰所处的波长处，损耗峰很小，分别为7300dB/m、7200dB/m，不能起到过滤y偏振方向波段的作用。
如图8所示，将小空气孔5直径分别为0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm时的光纤结构的损耗进行对比可得小空气孔5直径为0.3μm时的光纤结构可以很好地实现偏振滤波功能。

Claims (5)

1.一种光子晶体光纤偏振滤波器，它包括位于最外层的吸收层，所述吸收层内设有基底，所述基底内包裹有包层大空气孔、小空气孔，其特征在于：所述包层大空气孔包括若干个外层大空气孔和第二层大空气孔，其中，所述外层大空气孔内填充有金属丝，且外层大空气孔沿基底的内周呈正六边形周期分布，正六边形结构的中心右侧外层大空气孔缺失构成正六边形区域，正六边形区域上下两侧各分布一层第二层大空气孔，在正六边形区域内、两层第二层大空气孔中间、分别沿两正交偏振方向分布的小空气孔形成的光纤高双折射区；光纤高双折射区中心空气孔缺失构成椭圆形纤芯。
2.根据权利要求1所述光子晶体光纤偏振滤波器，其特征在于：所述沿两正交偏振方向分布的小空气孔包括在x偏振方向分布的两个小空气孔，以及在y偏振方向分布的两个小空气孔，四个小空气孔构成菱形结构。
3.据权利要求1或2所述光子晶体光纤偏振滤波器，其特征在于：每层所述第二层大空气孔个设有两个第二层大空气孔，所述第二层大空气孔直径d1为1.0μm；所述小空气孔直径d2为0.3μm；所述外层大空气孔直径d3为0.5μm，相邻两个外层大空气孔之间的孔距为1.5μm。
4.据权利要求1或2所述光子晶体光纤偏振滤波器，其特征在于：所述填充金属丝为直径dAg为0.5μm的银纳米线。
5.据权利要求3所述光子晶体光纤偏振滤波器，其特征在于：所述填充金属丝为直径dAg为0.5μm的银纳米线。
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