CN111208601B - 用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器 - Google Patents

用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤偏振滤波器,具体涉及一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，其主体结构为一根光子晶体光纤，基底材料为纯净的环烯烃共聚物(COC)，光纤的包层中设有周期性排列的空气孔，包层内空气孔呈六边形排列，六边形顶点处的空气孔被去除。在光子晶体光纤中心处存在一个雪花状液体通道，通道内壁镀有两层金属薄膜，分别是氧化铟锡(ITO)膜和金(Au)膜。该偏振滤波器设计新颖、结构体积小、易实现微型化；雪花状结构中液体与金属在光子晶体光纤中心，倏逝场能容易地穿透金属膜，进而产生共振现象，实现偏振滤波功能。

Description

用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器
技术领域：
本发明涉及一种光纤偏振滤波器,具体涉及一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器。
背景技术：
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)内部存在周期性排列的空气孔，不同的空气孔排布方式对应着相应的传输模式。光子晶体光纤因具有结构设计灵活、高灵敏度等突出优点受到了社会各界的广泛关注。表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance，SPR)技术有许多突出优点，例如，可实时监测、无需标记、灵敏度高等，因此，被广泛应用于生命科学、医疗诊断、环境监测、药物筛选、食品安全等领域。光子晶体光纤与表面等离子体共振技术相结合，使光纤传感技术得到了快速发展，基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感技术也成为了现今新的研究热点。
近年来，随着光纤的拉制技术和金属镀膜技术的快速发展，基于表面等离子体共振技术的光子晶体光纤偏振滤波器的研究成为新的热点。常见的用于激发表面等离子共振的材料有银(Ag)、金(Au)、氧化铟锡(ITO)、氮化锆(ZrN)、氮化钛(TiN)、二氧化钛(TiO2)、石墨烯等。对于PCF-SPR偏振滤波器来说，可以实现通信波长处滤波具有重要意义他，对于单通道滤波的实现相对来说是容易的，但是双通道对正交偏振光实现同时滤波十分不易，尤其是具有高损耗值的双通道偏振滤波器。
发明内容：
本发明的目的是提供一种能够工作在通信波长处并且同时对正交偏振光进行滤波的PCF-SPR偏振滤波器，弥补和改善了上述现有技术的不足之处。该偏振滤波器结构体积小，易实现微型化；该偏振滤波器内部设有雪花状液体通道，更易注入液体，液体的填充可以改变金属膜周围环境，从而调节共振波长，一般对于偏振滤波器来说，液体折射率固定，也可以通过改变液体折射率来改变工作波长，并且在该偏振滤波器结构中，倏逝场可以很容易的穿透两种金属膜厚度。该偏振滤波器内部雪花状液体通道，以及金属膜靠近纤芯，这使得滤波器在工作过程中更易达到相位匹配，从而实现共振。
本发明采用的技术方案为：一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，所述偏振滤波器的主体为一根光子晶体光纤，光子晶体光纤的包层内设有呈正六边形排列的空气孔，空气孔为五层，空气孔为周期性排列，在最外层正六边形排列的第五层的空气孔中，其顶点无空气孔(也即该层的正六边形顶点不开孔，该顶点处为实心)；在包层的中心处设有一个雪花状液体通道，雪花状液体通道的内壁上依次镀有氧化铟锡(ITO)膜和金(Au)膜。
进一步地，所述空气孔的半径为0.7μm。
进一步地，所述氧化铟锡膜的厚度为30nm，所述金膜的厚度为30nm。
进一步地，所述雪花状液体通道内液体的折射率为1.36。
进一步地，所述光子晶体光纤的基底材料为纯净的环烯烃共聚物(COC)。
进一步地，所述雪花状液体通道的排布为正六边形的相对顶点的连线，该连线穿过中心孔，该正六边形为包层内第三层空气孔所处的正六边形。
进一步地，所示雪花状液体通道的每个通道为矩形液体通道，其长为17.88μm，宽为1.48μm。
本发明的有益效果：提供了一种能够工作在通信波长处并且同时对正交偏振光进行高损耗滤波的PCF-SPR偏振滤波器，该滤波器具有较宽的滤波范围，弥补和改善了上述现有技术的不足之处。该偏振滤波器结构体积小，易实现微型化；该偏振滤波器内部设有雪花状液体通道，更易注入液体，液体的填充可以改变金属膜周围环境，从而调节共振波长，一般对于偏振滤波器来说，液体折射率固定，也可以通过改变液体折射率来改变工作波长，并且在该偏振滤波器结构中，倏逝场可以很容易的穿透两种金属膜厚度。该偏振滤波器内部雪花状液体通道，以及金属膜靠近纤芯，这使得滤波器在工作过程中更易达到相位匹配，从而实现共振。主要优点如下：
(1)、该偏振滤波器基底材料为环烯烃共聚物，具有传输损耗小、容易拉制的优点，且其内部含有雪花状液体通道，液体以及金属膜的位置可以使得共振效果增强；
(2)、该偏振滤波器采用双层金属镀膜(氧化铟锡(ITO)、金(Au)膜)；
(3)、该偏振滤波器可以在两个通信波长处同时对正交偏振光进行滤波，并且损耗值较高；
(4)、该偏振滤波器液体填充后可以不用更换，必要时也可通过改变填充液体折射率改变滤波器率波波长；
(5)、该偏振滤波器中金属的镀膜位置位于光子晶体光纤中心对称位置，且倏逝场能容易地穿透两种金属膜，进而实现滤波效果；
(6)、该偏振滤波器在1300nm和150nm处的过滤591.5dB/cm和555.1dB/cm，并且相应的保留偏振光损耗值分别为24.2dB/cm和39.9dB/cm；
(7)、该偏振滤波器在通信波长处的串扰值分别为-492.8dB和447.5dB；
(8)、该偏振滤波器从输出功率和消光比角度分析具有良好的滤波特性，在1300nm处，x偏振光输出功率接近于0，同时y偏振光输出功率接近于1；同理，在1570nm处，y偏振光输出功率接近于0，同时x偏振光输出功率接近于1。
附图说明：
图1是实施例一中双通道PCF-SPR偏振滤波器的截面示意图；
图2是实施例一中双通道PCF-SPR偏振滤波器的工作示意图；
图3是实施例一中双通道PCF-SPR偏振滤波器的串扰特性示意图；
图4是实施例一中双通道PCF-SPR偏振滤波器的输出功率以及消光比与波长关系的示意图。
具体实施方式：
实施例一
如图1-4所示，一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，所述偏振滤波器的主体为一根光子晶体光纤1，光子晶体光纤1的包层5内设有呈正六边形排列的空气孔2，空气孔2为五层，空气孔2为周期性排列，在最外层正六边形排列的第五层的空气孔2中，其顶点无空气孔2(也即该层的正六边形顶点不开孔，该顶点处为实心)；在包层5的中心处设有一个雪花状液体通道6，雪花状液体通道6的内壁上依次镀有氧化铟锡(ITO)膜3和金(Au)膜4；所述空气孔2的半径为0.7μm；所述氧化铟锡膜3的厚度为30nm，所述金膜4的厚度为30nm；所述雪花状液体通道6内液体的折射率为1.36；所述光子晶体光纤1的基底材料为纯净的环烯烃共聚物(COC)；所述雪花状液体通道6的排布为正六边形的相对顶点的连线，该连线穿过中心孔，该正六边形为包层5内第三层空气孔2所处的正六边形；雪花状液体通道6的每个通道为矩形液体通道，其长为17.88μm，宽为1.48μm。
偏振滤波器的主体结构为一根光子晶体光纤，基底材料为纯净的环烯烃共聚物(COC)，光纤的包层中设有周期性排列的空气孔，包层内空气孔呈六边形排列，六边形顶点处的空气孔被去除。在光子晶体光纤中心处存在一个雪花状液体通道，通道内壁镀有两层金属薄膜，分别是氧化铟锡(ITO)膜和金(Au)膜。光射入该滤波器，在光子晶体光纤内部传输时，不同波长的光以特定模式在光纤内部传输，由于全反射产生的倏逝波在金属表面激发出表面等离子体波，当入射光波和表面等离子体波波矢相同时，既满足相位匹配条件，产生表面等离子体共振现象，大部分光的能量被转移到金属表面，即发生了能量损耗。根据损耗与波长之间的关系可以画出损耗谱，损耗谱峰值即为共振峰，共振峰对应的波长为共振波长。该滤波器具有高双折射结构，可以在通信波长处利用表面等离子体共振时金属对特定偏正光能量的吸收对该偏振光进行滤波，工作示意图如图2所示，通过发生表面等离子体共振时金属吸收能量实现在两个通信波长处对正交偏振光进行滤波。
通过仿真软件建立本发明的滤波器结构模型，并基于有限元法利用计算机对其进行仿真，可以得到滤波器的工作示意图，如图2所示。
本实施例的传输损耗可以通过下式求出：
Figure BDA0002368946200000051
这里，λ代表入射波长，单位为μm，Im[neff]代表纤芯基模有效折射率的虚部，通过损耗公式，可以计算出限制损耗和波长之间的关系，损耗谱如图2所示，损耗谱表明在通信波长处该PCF-SPR偏振滤波器可以实现同时对正交偏振光滤波。
本偏振滤波器的串扰值可以通过下式求出：
CT＝20lg{exp[(α2-α1)L]}
这里，α1和α2分别代表两种正交偏振光的限制损耗值，L代表光纤长度，由上述公式计算得出图3曲线，图3表明本偏振滤波器在通信波长处的串扰值分别为-492.8dB和447.5dB。
本偏振滤波器的输出功率以及消光比计算方法如下：
Figure BDA0002368946200000061
Figure BDA0002368946200000062
此时，输入功率设为1，L为光纤长度，α为两种正交偏振光的限制损耗值，Pout两种正交偏振光的输出功率。
该偏振滤波器设计新颖、结构体积小、易实现微型化；雪花状结构中液体与金属在光子晶体光纤中心，倏逝场能容易地穿透金属膜，进而产生共振现象，实现偏振滤波功能。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，其特征在于：所述偏振滤波器的主体为一根光子晶体光纤(1)，光子晶体光纤(1)的包层(5)内设有呈正六边形排列的空气孔(2)，空气孔(2)为五层，在最外层正六边形排列的第五层的空气孔(2)中，其顶点无空气孔(2)；在包层(5)的中心处设有一个雪花状液体通道(6)，雪花状液体通道(6)的内壁上依次镀有氧化铟锡膜(3)和金膜(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，其特征在于：所述空气孔(2)的半径为0.7μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，其特征在于：所述氧化铟锡膜(3)的厚度为30nm，所述金膜(4)的厚度为30nm。
4.根据权利要求1所述的一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，其特征在于：所述雪花状液体通道(6)内液体的折射率为1.36。
5.根据权利要求1所述的一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，其特征在于：所述光子晶体光纤(1)的基底材料为环烯烃共聚物。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，其特征在于：所述雪花状液体通道(6)的排布为正六边形的相对顶点的连线，该连线穿过中心孔，该正六边形为包层(5)内第三层空气孔(2)所处的正六边形。
7.根据权利要求6所述的一种用于通信波长处同时对正交偏振光滤波的偏振滤波器，其特征在于：所述 雪花状液体通道(6)的每个通道为矩形液体通道，其长为17.88μm，宽为1.48μm。
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