CN111443420B - 一种宽带微结构光纤偏振滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带微结构光纤偏振滤波器，属于光纤通信领域。石英为基底材料，包括位于中心的向列相液晶E7填充纤芯、两个镀金空气孔缺陷区和空气孔‑石英微结构包层；所述光纤中的空气孔整体上成正六边形排布，并且三个空气孔能够形成正三角形分布；将中心的空气孔增大并且填充向列相液晶E7，与周围的石英基底构建向列相液晶E7填充纤芯，向列相液晶E7分子平行于指向矢的光轴位于x方向；镀金空气孔为从原点沿着y轴正方向向外的第一个圆心位于y轴上的空气孔及以x轴为对称轴在y轴负方向对称位置的空气孔。本发明金属芯和环绕金属芯的6个孔径相同的空气孔以及周围石英基底构成C6v对称性结构，各阶金属SPP模式几乎没有双折射。

Description

一种宽带微结构光纤偏振滤波器

技术领域

本发明属于光纤通信领域，尤其涉及一种宽带微结构光纤偏振滤波器。

背景技术

光滤波器是用来进行波长或者偏振态选择的器件，可以用于光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用等，是波分复用光通信系统和光纤传感系统、光纤激光器系统中必不可少的重要光学器件。基于光纤的光滤波器具有与光纤通信系统易于集成、波长可调谐、插入损耗低等优点，因此有着十分重要的意义，受到了人们的广泛关注。

由于微结构光纤具有特殊的传导机制和灵活的空气孔分布，将其用于光纤滤波器的设计与研制，有利于提高滤波性能并使其小型化。其中一类微结构光纤偏振滤波器，利用了金属的表面等离子体共振效应（Surface Plasmon Resonance,SPR），其原理为：在被金属填充或金属包覆的微结构光纤中，芯区偏振态模式的光能量照射到金属表面上，金属表面会形成等离子体极化激元，当芯区偏振态模式与金属等离子体（Surface PlasmonPolariton,SPP）模式相位匹配时，芯区偏振态模式的一部分能量被耦合到金属SPP模式中，使芯区偏振态模式的损耗升高。利用SPR效应实现偏振滤波的微结构光纤滤波器基本原理和方案为：（1）通过忽略空气孔产生单一石英实芯区域形成纤芯。（2）通过改变其他空气孔的排布方式或者结构参数，比如孔大小等，降低微结构光纤结构对称性，通常使用C2v对称性，在纤芯构造双折射，使芯区的偏振态模式分离，即两个正交偏振方向上的模式折射率不再相等；（3）在微结构光纤包层空气孔或包层其他位置添加纳米量级金属层。（4）当纤芯某一偏振态模式（需要滤除的芯区偏振态模式）与包层中金属层的金属SPP模式在某些波长相位匹配（以下称为工作波长）时，从模式激发角度，芯区内该偏振态模式的光能量将使金属表面形成等离子体极化激元产生相应SPP模式；从模式耦合角度，需要滤除的芯区偏振态模式与金属SPP模式谐振。需要说明的是，两个模式谐振的条件之一，是两个模式的模式有效折射率数值相同，在折射率曲线中的表现为两个模式的折射率曲线相交的交点。但是研究发现，当芯模和SPP模式发生不完全谐振时，两条折射率曲线继续交叉；当芯模和SPP模式发生完全谐振时，由于两个模式能量耦合的相互作用较强，两条折射率曲线反而不再相交，即出现反交叉现象。但是无论折射率曲线交叉还是反交叉，谐振出现后，与没有谐振相比，参与谐振的纤芯的该偏振模式损耗曲线将出现尖锐的损耗峰。由于纤芯采用忽略空气孔的方式形成，纤芯为石英玻璃材料，折射率较低，而光纤模式折射率低于纤芯折射率高于包层折射率，因此芯内两个偏振态模式的模式折射率也较低（低于石英玻璃材料折射率），而金属SPP模式的低阶模式折射率很高，无法与芯内偏振态模式的折射率曲线存在交点或极度接近，因此都是利用2阶、3阶等高阶金属SPP模式与芯内偏振态模式进行谐振和能量交换；（5）金属SPP模式有较大损耗，在需要滤除的纤芯模式与SPP模式谐振对应的波长处，能量将高效的从需要滤除的芯区偏振态模式耦合转移到金属SPP模式，并被SPP模式消耗掉，因此与金属SPP模式发生能量耦合的芯区偏振态模式的能量将通过此种方式被消耗掉，对于此偏振态，在谐振波长处产生损耗峰值；（6）由于双折射的原因，另外一个偏振态模式（需要保留的偏振态模式）的折射率与需要滤除的偏振态模式折射率数值不同。当调整其数值，使其与金属SPP模式折射率的值在工作波长（即需要滤除的芯区偏振模式与SPP模式的谐振波长）也不相同时，可以减弱此偏振态模式与金属SPP模式能量耦合，使得该偏振态光在工作波长下可以低损耗的在光纤内传输。需要注意的是，由于如本段（2）中所述的原因，此偏振态模式折射率也低于石英材料折射率，因此该偏振态模式折射率数值上小于某些低阶金属SPP模式折射率，高于其余高阶金属SPP模式折射率，即该偏振态模式折射率数值上介于某两阶金属SPP模式折射率之间，需要保留的芯区偏振模式折射率与邻近金属SPP模式折射率数值相差不大，因此和金属SPP模式仍然存在一定耦合，这限制了需要保留的偏振态模式损耗的进一步降低。但是总体上，上述整体原理和方案实现了在工作波长滤除一个偏振态光能量而保证另外一个偏振态光能量传输的技术效果，即实现了偏振滤波。

为了满足通信技术对高速率、大数据传输的要求，需要滤波器可以实现对多波长的滤除，即宽带滤波器。基于上一段所述微结构光纤偏振滤波器的原理和方案，现在基于SPR效应的宽带微结构光纤偏振滤波器原理和方案主要有两种。

方案一：使用不同结构镀金空气孔，使需要滤除的芯区偏振态模式分别与镀金空气孔的金属SPP模式仅在一个波长处谐振。由于各镀金空气孔结构不同，需要滤除的芯区偏振态模式和各镀金空气孔的谐振波长也不同，所有镀金空气孔的不同SPP模式与需要滤除的芯区偏振态模式多点谐振的综合作用，得到宽带滤波效果。具体方案为：（1）通过忽略空气孔产生单一石英实芯区域形成纤芯。（2）通过改变其他空气孔的排布方式或者结构参数，比如孔大小等，降低微结构光纤结构对称性，通常使用C2v对称性，在纤芯构造双折射，使芯区产生10-2量级的结构双折射，从而使芯区的偏振态模式分离，即两个正交偏振方向上的模式折射率不再相等；（3）对纤芯附近位置上的多个空气孔进行镀金，对每个镀金空气孔设置不同的结构参数，如不同的镀金空气孔孔径和镀金层厚度。由于镀金空气孔的结构不同，导致每个镀金空气孔处SPP模式的模式折射率数值不同；（4）合理选择镀金空气孔附近各结构参数，如镀金空气孔孔径和镀金层厚度，使得需要滤除的偏振态模式分别与不同镀金空气孔处的高阶SPP模式（2阶及以上SPP模式）仅在一个特定波长处发生谐振（即需要滤除的偏振态模式折射率与金属的某一阶SPP模式折射率数值相等，导致折射率随波长变化曲线相交的波长，但是同样需要注意，当芯模和SPP模式发生完全谐振时，由于两个模式能量耦合的相互作用较强，两条折射率曲线反而不再相交，即出现反交叉现象），在此波长形成损耗峰。由于不同镀金空气孔的SPP模式折射率不同，因此需要滤除的偏振态模式与不同位置镀金空气孔的SPP模式发生谐振的波长也不同，损耗峰的位置也不同。需要滤除的偏振模式的最终损耗值，是其与各个镀金空气孔分别作用后效果的叠加，这就导致需要滤除的偏振模式损耗随波长变化的曲线出现多个损耗峰；需要说明的是，由于光纤以石英为基底，纤芯为忽略一个空气孔形成的石英芯，芯区偏振模式折射率低于纤芯折射率，所以需要滤除的偏振态模式折射率低于石英的折射率，而金属SPP模式的低阶模式折射率很高，无法与芯内偏振态模式的折射率曲线存在交点或极度接近，因此都是利用2阶、3阶等高阶金属SPP模式与芯内偏振态模式进行谐振和能量交换；（5）在相邻两个损耗峰所对应的波长之间（即在需要滤除的偏振态模式折射率与不同镀金空气孔区域的某阶SPP模式折射率曲线相交的波长之间），需要滤除的偏振态模式其折射率与金属SPP模式的折射率不完全相等。但是在交点对应的波长的附近波段，需要滤除的偏振态模式的折射率与金属SPP模式的折射率相差不大，仍然存在较强的耦合，因此损耗峰存在拖尾现象，具有一定宽度。合理设计各镀金空气孔处结构，调整两个峰值强度及距离，使两个损耗峰拖尾叠加，仍然可以保证两峰之间的其他波长处损耗高于20dB/cm（一般认为单位距离损耗值高于20dB/cm就能够到达滤波效果），实现宽带滤除此偏振态模式。值得注意的是，由于不同镀金空气孔处的SPP模式和需要滤除的偏振态模式分别仅在一个特定波长处发生谐振，而随着远离此波长，耦合强度将降低。因此在相邻两损耗峰之间的某个波长，不同的镀金空气孔对需要滤除的偏振态模式的损耗提升的效果不同。一般而言，此波长距离哪个谐振波长更接近，对应的镀金空气孔与需要滤除的偏振态模式的耦合越强。所以，在相邻两个损耗峰之间的各个波长，每个镀金空气孔仅能在其各自的谐振波长附近对需要滤除的偏振态模式的损耗提升起到主要作用。（6）由于芯区存在高双折射，需要保留的偏振态模式的折射率与需要滤除的方向的模式折射率数值上有较大差别，调整其数值，使需要保留的偏振态模式在工作波长处与金属SPP模式的折射率不同，导致在整个工作带宽范围内与金属SPP模式耦合程度弱，从而实现低损耗地传输。但是，由于光纤以石英为基底，纤芯为忽略一个空气孔形成的石英芯，芯区偏振模式折射率低于纤芯折射率，所以需要需要保留的偏振态模式的折射率低于石英的折射率，而金属SPP模式的低阶模式折射率很高，因此需要保留的偏振态模式的折射率高于高阶金属SPP模式折射率，低于石英及低阶金属SPP模式的折射率（即需要保留的偏振态模式的折射率介于某两阶金属SPP模式折射率之间），即该偏振态模式折射率数值上介于某两阶金属SPP模式折射率之间，需要保留的芯区偏振模式折射率与邻近金属SPP模式折射率数值相差不大，因此和金属SPP模式仍然存在一定耦合，这限制了需要保留的偏振态模式损耗的进一步降低。上述整体原理和方案，实现了宽带滤除一个偏振态光能量，而保证在同样带宽另外一个偏振态光能量传输的技术效果，即实现了宽带偏振滤波。

其中，高昕宇的具体方案：（1）相邻空气孔采用正三角形排布（也称作正六边形排布，两种说法代表的几何结构一致，以下使用“正三角形排布”）（2）在芯区两侧设置了4种孔径分别为1.29μm、1.38 μm、1.1 μm、2.4μm的空气孔，降低了光纤的对称性，使芯区x偏振态模式和y偏振态模式的折射率分开，其中在1550nm处y偏振态模式的折射率大约为1.380，x偏振态模式的折射率大约为1.370，两个偏振态模式的折射率的差距在1310nm和1550nm范围内可达10-2量级，并且均明显低于石英材料折射率（此波长处石英的折射率为1.444）；（高昕宇. 金属填充型光子晶体光纤设计与飞秒激光传输的实验研究[D].燕山大学,2018.16 -19页）（3）对纤芯上下两侧对称位置上的两个空气孔进行镀金，设置两个镀金空气孔的孔径为1.5 μm和1.8 μm，镀金层的厚度为0.03μm和0.22μm，导致上层镀金空气孔与下层镀金空气孔处的SPP模式折射率数值不同；（4）芯区y偏振态模式在1310nm处与下侧镀金空气孔的3阶SPP模式折射率曲线出现交叉，在该波长发生谐振与能量高效耦合；芯区y偏振态模式在1550nm处与上侧镀金空气孔的2阶SPP模式折射率曲线出现交叉，在该波长发生谐振与能量高效耦合。因此在上述两谐振波长处形成两个损耗峰，损耗值分别为320.02dB/cm和641.12dB/cm。同时，两峰之间损耗也高于20dB/cm，当光纤长度为1100μm时，偏振滤波器的带宽可以达到410nm；（5）芯区x偏振态模式折射率在同一波段不和任何金属SPP模式谐振，与各金属SPP模式耦合较弱，损耗值较小，其中在1310nm和1550nm处损耗值仅为0.40dB/cm和4.27dB/cm。上述整体方案，实现了在410nm的宽带内滤除y偏振态光能量，且保证了在同样带宽上x 偏振态能量的低损耗传输。（高昕宇. 金属填充型光子晶体光纤设计与飞秒激光传输的实验研究[D].燕山大学,2018.16页-21页）

上述方案的缺点在于：需要滤除的偏振态模式折射率曲线与下侧镀金空气孔的SPP模式和上侧镀金空气孔的SPP模式折射率曲线分别只有一个交点，即上下两侧的镀金空气孔分别仅在某一个波长处发生谐振，形成损耗峰。在某一谐振波长，芯区需要滤除的偏振态模式只与其中一个镀金空气孔的SPP模式发生谐振，降低了芯区偏振态模式与金属SPP模式的能量耦合效率。同时每个镀金空气孔仅能在其各自的谐振波长附近对需要滤除的偏振态模式的损耗提升起到主要作用，因此在两个损耗峰之间的某个波长，谐振波长距离该波长近的镀金空气孔对需要滤除的偏振态模式的损耗提升的效果大，但是谐振波长距离该波长远的另一个镀金空气孔对需要滤除的偏振态模式的损耗提升的效果小，导致由两个损耗峰拖尾叠加得到需要滤除的偏振态模式的最终损耗值比较低。

方案二：使用相同结构多个镀金空气孔或者仅使用一个镀金空气孔，需要滤除的芯区偏振态模式分别与同一个镀金空气孔的两个高阶金属SPP模式（2阶及其以上阶数）发生谐振且谐振波长不同。在这两个谐振点对应的波长处，均产生能量由需要滤除的芯区偏振态模式向2阶及其以上阶数金属SPP模式的转移，使得需要滤除的芯区偏振态模式的损耗随波长变化曲线上出现两个损耗峰。在这两个谐振点共同作用下，需要滤除的芯区偏振态模式与邻近的两个金属SPP模式均发生较强耦合，使得损耗峰之间的损耗也较高，从而实现宽带滤波效果。所以，此方案与上一方案最大区别在于，引入一种镀金空气孔，就可以造成需要滤除的芯区偏振态模式折射率随波长变化的曲线与2阶及其以上阶数金属SPP模式折射率随波长变化曲线有两个谐振点（注意当芯模和SPP模式发生完全谐振时，由于两个模式能量耦合的相互作用较强，两条折射率曲线反交叉后不再相交），而不再需要多种不同结构镀金空气孔。此方案具体实现方式为：（1）通过忽略空气孔产生单一石英实芯区域形成纤芯。（2）通过改变其他空气孔的排布方式或者结构参数，比如孔大小等，降低微结构光纤结构对称性，通常使用C2v对称性，在纤芯构造双折射，使芯区产生10-2量级的结构双折射，从而使芯区的偏振态模式分离，即两个正交偏振方向上的模式折射率不再相等；（3）对纤芯附近位置上的空气孔进行镀金，多个镀金空气孔结构一致（其所产生的各阶SPP模式也一致）或者仅有一个镀金空气孔；（4）合理选择镀金空气孔附近各结构参数，如镀金空气孔孔径和镀金层厚度，使得需要滤除的芯区偏振模式分别与镀金空气孔的两个2阶以上（包含2阶）金属SPP模式在一个特定波长处发生谐振，在此波长形成损耗峰。由于与不同阶数的金属SPP模式的模式折射率不同，所以需要滤除的芯区偏振模式和金属SPP模式的谐振波长不同，损耗峰出现的波长也不同。需要滤除的偏振模式的最终损耗值，是其与各阶金属SPP模式分别作用后效果的叠加，这就导致需要滤除的偏振模式损耗随波长变化的曲线出现两个损耗峰；需要说明的是，由于光纤以石英为基底，纤芯为忽略一个空气孔形成的石英芯，芯区偏振模式折射率低于纤芯折射率，所以需要滤除的偏振态模式折射率低于石英的折射率，而金属SPP模式的低阶模式折射率很高，无法与芯内偏振态模式的折射率曲线存在交点或极度接近，因此都是利用2阶、3阶等高阶金属SPP模式与芯内偏振态模式进行谐振和能量交换；（5）在相邻两个损耗峰所对应的波长之间（即在需要滤除的偏振态模式与不同阶SPP模式的两个谐振波长之间），需要滤除的偏振态模式其折射率与金属SPP模式的折射率不完全相等。但是在两个交点之间的波长，需要滤除的偏振态模式的折射率与金属SPP模式的折射率相差不大，仍然存在较强的耦合，因此损耗峰存在拖尾现象，具有一定宽度。合理设计镀金空气孔和其附近空气孔的结构，调整两个峰值强度及距离，使两个损耗峰拖尾叠加，仍然可以保证两峰之间的其他波长处损耗高于20dB/cm，实现宽带滤除此偏振态模式。（6）由于芯区存在高双折射，需要保留的偏振态模式的折射率与需要滤除的方向的模式折射率数值上有较大差别，调整其数值，使需要保留的偏振态模式在工作波长处与金属SPP模式的折射率不同，导致在整个工作带宽范围内与金属SPP模式耦合程度弱，从而实现低损耗地传输。上述整体原理和方案，实现了宽带滤除一个偏振态光能量，而保证在同样带宽另外一个偏振态光能量传输的技术效果，即实现了宽带偏振滤波。但是，由于光纤以石英为基底，纤芯为忽略一个空气孔形成的石英芯，芯区偏振模式折射率低于纤芯折射率，所以需要需要保留的偏振态模式的折射率低于石英的折射率，而金属SPP模式的低阶模式折射率很高，因此需要保留的偏振态模式的折射率高于高阶金属SPP模式折射率，低于石英及低阶金属SPP模式的折射率（即需要保留的偏振态模式的折射率介于某两阶金属SPP模式折射率之间），导致其与金属SPP模式存在一定耦合，限制了损耗的降低。

其中，Li Boyao 的具体方案：（1）空气孔采用正三角形排布，在芯区两侧设置了2种孔径分别为1.26μm、2.4μm的空气孔，在镀金空气孔两侧设置了两个孔径为2.109μm的空气孔，降低了光纤的对称性，使芯区x偏振态模式和y偏振态模式的折射率分开，其中在1550nm处y偏振态模式的折射率约为1.424，明显低于此波长处石英的折射率1.444；（2）对纤芯上侧的一个空气孔进行镀金，设置镀金空气孔的孔径为2.82μm，镀金层的厚度为40nm；（3）y偏振态模式在1310nm处与3阶SPP模式折射率曲线出现交叉，该波长处发生谐振与能量高效耦合；在1550nm处与2阶SPP模式折射率曲线出现反交叉，该波长处发生谐振与能量高效耦合，因此在上述两个谐振波长处形成两个损耗峰，损耗值分别为265.04dB/cm和230.5dB/cm，以损耗大于20dB/cm标准衡量，当光纤长度为10mm时，偏振滤波器的带宽可以达到440nm；（4）芯区x偏振态模式介于某两阶金属SPP模式之间不和任何金属SPP模式谐振，与各金属SPP模式耦合较弱，损耗值较小，其中在1310nm和1550nm处损耗值仅为0.38dB/cm和1.06dB/cm。（Li B , Li M , Peng L , et al. Research on Dual-wavelength SinglePolarizing Filter Based on Photonic Crystal Fiber[J]. IEEE Photonics Journal,2017:1-1.）

上述方案的最大不足在于：光纤芯区为忽略空气孔形成，故其纤芯材料为石英玻璃，纤芯折射率较低（使用Sellmeier 公式计算石英在1.55μm时折射率约为1.4440），而光纤中模式折射率要低于纤芯折射率，所以其需要滤除和需要保留的两个偏振态模式折射率都低于石英材料折射率。这将导致利用该方案设计的滤波器产生如下两个缺点：（1）由于需要滤除的偏振态模式折射率数值较低，仅能和2阶及其以上高阶金属SPP模式在通信波段发生谐振，而无法和更低阶（1阶或者0阶）金属SPP模式在通信波段谐振。芯区的偏振态模式的折射率随波长变化的曲线斜率明显低于金属SPP模式折射率随波长变化的曲线的斜率，而高阶SPP模式折射率的斜率又大于低阶SPP模式。根据简单数学知识可知，两条相交的曲线，其斜率相差越大，则在远离交点后两曲线分离的越快。因此，与使用低阶SPP模式与芯区偏振态模式谐振相比，使用更高阶SPP模式与芯区偏振态模式谐振，其芯区偏振态模式和高阶金属SPP模式折射率曲线的斜率相差更大，远离交点波长后两折射率曲线分离速度更快，这也意味着芯区偏振态模式与金属SPP模式的耦合程度快速减弱，造成损耗峰比较尖锐，峰的半高宽窄，从而使两损耗峰之间的值比较低，一定程度上影响了宽带滤波的效果。比如，LiBoyao等人的方案中，需要滤除的y偏振态模式在1310nm处与3阶SPP模式发生谐振，其损耗峰的半宽仅约为12nm。（2）需要保留的偏振态模式折射率低于石英材料折射率及某些低阶金属SPP模式折射率，高于其余高阶金属SPP模式折射率，即该偏振态模式折射率数值上介于某两阶金属SPP模式折射率之间，使需要保留的偏振态模式仍然和金属SPP模式具有一定耦合，限制了需要保留的偏振态模式损耗进一步降低，比如Li Boyao等人的方案中，需要保留的x偏振态模式在1310nm和1550nm处的限制损耗分别为0.38dB/cm 和1.06 dB/cm。

基于微结构光纤设计偏振滤波器时，除了采用通过忽略空气孔产生单一石英实芯区域形成纤芯，并通过改变其他空气孔的排布方式或者结构参数降低微结构光纤结构对称性在芯区产生双折射的方案外，还可以通过在芯区填充液晶的方式形成折射率各向异性的纤芯，在芯区产生双折射，同时还可以利用液晶折射率高于石英玻璃的优良性质。比如姜玲红等人提出了一种宽带微结构光纤偏振滤波器，其微结构光纤采用C4v排布的空气孔，在光纤中心制造大空气孔并填充液晶构造芯区，并对一个空气孔填充金丝，利用需要滤除的偏振态模式在某一特定波长处与金属SPP模式谐振，和在大于特定波长范围内与不同偏振态的金属SPP模式耦合的综合作用，得到宽带偏振滤波效果。具体方案为：（1）构造x，y方向呈正方形排布的空气孔，使光纤为C4v结构，并旋转45°；（2）加大中心空气孔，填入向列相液晶E7，液晶旋转90°后，使向列相液晶E7分子平行于指向矢的光轴位于y方向，与周围石英玻璃一起构成芯。此时向列相液晶E7y方向对应的非寻常光折射率（extraordinary refractiveindex）ne大于x方向寻常光折射率（ordinary refractive index）no，同时两个折射率均大于石英材料的折射率。依靠液晶折射率的各向异性的特点，使光纤产生双折射，即芯内x和y两个偏振态模式的折射率分开；（3）在x轴正方向紧邻中心液晶孔的一个空气孔内，填充金使其填满整个空气孔。调整填充金的空气孔尺寸，使得2阶金属SPP的x偏振态模式和芯内x偏振态模式在1.3μm发生谐振，能量耦合后，两折射率曲线出现交叉；（4）大于1.3μm后，1阶SPP的y偏振态模式与芯内x偏振态模式折射率差值最小，因此芯内x偏振态模式主要与1阶SPP的y偏振态模式与耦合，利用上述金属SPP模式将芯内x偏振态模式的能量耦合并吸收；注意，如姜玲红等所述，芯内x偏振态模式与1阶SPP的y偏振态模式仅在折射率上接近，耦合作用较强，并未发生谐振；（5）由于y方向液晶的折射率ne远大于x方向液晶折射率no和石英材料折射率，使芯内y偏振态模式折射率远大于所有金属SPP模式折射率，因此芯内y偏振态模式和所有金属SPP模式耦合都很弱，得以低损耗传输；利用以上方案，姜玲红等人实现了1.25–2.1 μm范围内，芯区y偏振态模式损耗低于0.21 dB/cm，芯区x偏振模式损耗高于248.95 dB/cm的技术效果。（Linghong Jiang,Yi Zheng,Jianju Yang,Lantian Hou,Zuohan Li,Xingtao Zhao. An Ultra-broadband Single Polarization Filter Basedon Plasmonic Photonic Crystal Fiber with a Liquid Crystal Core[J].Plasmonics,2017,12(2).）

上述方案的特征及优点：（1）主要利用液晶折射率各向异性的特点，构造折射率在x和y方向数值不同的纤芯，而非利用光纤结构上的不对称产生双折射，产生的双折射数值更大；（2）利用液晶非寻常光折射率ne的值远高于石英折射率的特点，提升芯区y方向折射率，进而提高芯区y偏振态模式折射率数值，使其远高于所有金填充区域SPP模式折射率的数值，使得该偏振模式与金属SPP模式耦合低，损耗小；（3）利用液晶寻常光折射率no高于石英折射率nsilica的特点（但是低于非寻常光折射率ne），使芯区x方向折射率及其x偏振模式折射率有一定程度的提升，可以和2阶SPP的x偏振态模式谐振，和1阶SPP的y偏振态模式在大于谐振波长的范围内耦合。参与作用的金属SPP模式阶数比石英芯方案更低。

上述方案的缺点：（1）金属SPP模式与需要滤除的偏振态模式仅有一个谐振点，即2阶金属SPP的x偏振态模式和芯区x偏振态模式在1.3μm发生谐振；大于1.3μm后，1阶SPP的y偏振态模式与芯区x偏振态模式仅在折射率上接近，并未发生谐振；（Linghong Jiang,YiZheng,Jianju Yang,Lantian Hou,Zuohan Li,Xingtao Zhao. An Ultra-broadbandSingle Polarization Filter Based on Plasmonic Photonic Crystal Fiber with aLiquid Crystal Core[J]. Plasmonics,2017,12 (2)；（2）此方案无法使需要滤除的偏振态模式与低阶（0阶或1阶）金属SPP模式谐振，只能和2阶SPP模式谐振，和1阶SPP的y偏振态模式耦合。使用高阶SPP模式与芯区偏振态模式谐振，其芯区偏振态模式和高阶金属SPP模式折射率曲线的斜率相差更大，远离交点波长后两折射率曲线分离速度更快，这也意味着芯区偏振态模式与金属SPP模式的耦合程度快速减弱，造成损耗峰比较尖锐；（3）大于谐振波长后，芯区x偏振模式与1阶SPP的y偏振态模式耦合，两个参与耦合的模式的偏振态不同，影响了能量由芯区x偏振模式向金属SPP模式的耦合效率，并最终影响了滤波器的滤波效果。

姜玲红等人方案产生上述缺点的最主要原因，是该方案实现微结构光纤偏振滤波器的方案中，采用了正方形空气孔与中心液晶填充芯组合的方式。为了保证需要滤除的芯区偏振模式与金属SPP模式的耦合效率，增大此偏振模式的损耗，希望填充金属的空气孔距离纤芯的距离越近越好，且没有其他空气孔阻隔。但是为了降低需要保留的芯区偏振模式与金属SPP模式的耦合效率，降低此偏振模式的损耗，又需要填充金属的空气孔距离纤芯有一定的距离。因此，基于微结构光纤的偏振滤波器的填充金属空气孔的最佳位置，一般位于从纤芯向外的第二环空气孔，并且是与第一环空气孔具有错层排布的空气孔。然而正方向排布的空气孔，几何结构上横纵对齐，没有错层。将正方形排布空气孔旋转45°后，看似液晶填充芯的x轴上出现了与第一层空气孔错层排布的空气孔，但是根据正方形排布空气孔的排布方式可知，每一个空气孔周围都直接环绕着八个空气孔，其中前后左右四个，对角线四个。姜玲红方案实质上是利用了包围液晶填充芯的第一环空气孔的对角线上的其中一个空气孔进行了金属填充，虽然离纤芯的位置比前后左右四个空气孔距离稍远，为相邻空气孔间距离的 倍，但是并非真正意义上的第二层的错层空气孔；因此，改变这个空气孔的孔径并在这个空气孔填充金属，将会直接改变液晶填充芯（包含光纤中心液晶填充空气孔及其周围石英玻璃）与包层的边界形状及折射率梯度条件，包括改变液晶填充芯的形状，大小及其周围直接相连的包层区域的折射率，进而对芯内的两个偏振态模式的特性，包含模式折射率的数值等产生影响。同样的，当把金属填充后的空气孔及其周围石英当做SPP模式产生的芯（以下简称金属填充芯），则中心的液晶填充空气孔同样位于包围金属填充芯的第一环空气孔的对角线上。改变中心空气孔的孔径并在这个空气孔填充液晶，也将会改变金属填充芯的边界形状及折射率梯度条件，包括改变金属填充芯的形状，大小及其周围直接相连的包层区域的折射率，进而对金属填充芯的各阶SPP模式的特性，包含模式折射率数值等产生影响。具体影响如下：①液晶的折射率高于石英，液晶填充区的折射率影响金属填充芯的折射率，从而提高了各阶金属 SPP模式的折射率，导致芯区偏振态模式折射率曲线难以和1阶及0阶金属SPP模式折射率曲线相交，即无法与金属SPP模式发生谐振，因此带来上一段的缺点（1）和（2）；②改变中心空气孔孔径并填充液晶后，降低了金属填充芯第一环孔和周围的石英玻璃结构的对称性，由于结构的不对称，使得金属填充芯产生双折射，即各阶金属SPP模式的两个偏振态模式折射率曲线分离。综合考虑到液晶填充区的结构参数带来金属填充芯内SPP模式的变化，造成低阶（0、1阶）SPP的两个偏振态模式的折射率斜率非常小，而2阶金属SPP模式的折射率斜率仍然较大。又由于芯区x偏振态模式的折射率斜率小（即2阶SPP的x偏振态模式折射率斜率与芯区x偏振态模式的斜率差距大），所以使2阶SPP的x偏振态模式与芯区x偏振态模式的折射率曲线存在一个谐振点，从而发生谐振。液晶填充区位于包围金属填充芯的第一环空气孔的对角线上（即y方向上），使得1阶SPP的y偏振态模式折射率低于1阶SPP的x偏振态模式折射率，即1阶SPP的y偏振态模式折射率和芯区x偏振态模式更接近。1阶SPP的y偏振态模式的折射率斜率小，芯区x偏振态模式的折射率斜率也小，即1阶SPP的y偏振态模式折射率斜率与芯区x偏振态模式的斜率差距非常小，且金属 SPP模式的折射率较高，使得芯区x偏振态模式与1阶SPP的y偏振态模式无法发生谐振，同时两模式偏振态的方向不同，使得耦合作用很弱，因此带来上一段的缺点（2）和（3）。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带微结构光纤偏振滤波器，来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种宽带微结构光纤偏振滤波器，选用石英作为基底材料，包括位于中心的向列相液晶E7填充纤芯、两个镀金空气孔缺陷区和空气孔-石英微结构包层；所述光纤中的空气孔整体上成正六边形排布，并且三个空气孔能够形成正三角形分布；将中心的空气孔增大并且填充向列相液晶E7，与周围的石英基底构建向列相液晶E7填充纤芯，向列相液晶E7分子平行于指向矢的光轴位于x方向；镀金空气孔为从原点沿着y轴正方向向外的第一个圆心位于y轴上的空气孔及以x轴为对称轴在y轴负方向对称位置的空气孔。

本发明技术方案的进一步改进为，相邻两个空气孔的孔间距Λ范围为1.76-1.8μm。

本发明技术方案的进一步改进为，位于中心的空气孔的直径d2范围为1.78-1.82μm。

本发明技术方案的进一步改进为，镀金空气孔的直径d3范围为2.22-2.26μm，金层厚度t范围为18-22nm。

本发明技术方案的进一步改进为，空气孔-石英微结构包层包含从原点向外的第一至第四层空气孔，每层空气孔排列形成正六边形结构。

本发明技术方案的进一步改进为，从原点向外的第一至第四层每层的空气孔数依次为6、10、18、24。

本发明技术方案的进一步改进为，空气孔直径d1范围为0.92-0.96μm。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

本专利为一种宽带微结构光纤偏振滤波器，（1）不会提高金属SPP模式的折射率，且各阶金属SPP模式几乎没有双折射。微结构光纤空气孔采用正三角形排布，使环绕液晶芯的每相邻两层空气孔之间产生错层，保证了镀金孔处于既不紧邻液晶芯，又不被其他空气孔阻隔的第二层错层位置，即使液晶芯与镀金孔独立，所以液晶芯对镀金孔的金属SPP模式的折射率不产生影响，不会提高金属SPP模式的折射率。把镀金孔当做金属SPP模式产生的芯，金属芯和直接环绕金属芯的6个孔径相同的空气孔以及周围石英基底构成C6v对称性结构，保证了各阶金属SPP模式几乎没有双折射；（2）芯区两个偏振态模式的折射率数值升高。纤芯采用大尺寸的液晶芯，E7向列相液晶分子平行于指向矢的光轴位于x方向，利用液晶折射率各向异性的特点，使芯区产生10-1量级的高双折射，即芯区两个偏振态模式的折射率曲线完全分离，从而导致芯区两个偏振态模式的损耗差距很大；同时提高了芯区两个偏振态模式的折射率，使需要滤除的偏振态模式折射率略高于石英基底折射率，需要保留的偏振态模式折射率远远高于石英基底折射率及金属SPP模式折射率；（3）需要滤除的偏振态模式与低阶SPP模式存在两点谐振。低阶的金属SPP模式折射率比高阶的金属SPP模式的折射率高，在具有优点（1）和优点（2）的情况下，使得需要滤除的模式折射率曲线可以和0、1阶金属SPP模式折射率曲线各存在一个谐振点，谐振波长处产生两个损耗高峰。同时低阶的金属SPP模式的折射率斜率比高阶的金属SPP模式的折射率斜率低，需要滤除的偏振态模式的折射率斜率也很低，由于两折射率曲线的斜率相差小，使远离谐振波长后两折射率曲线分离速度慢（即需要滤除的偏振态模式的折射率与金属SPP模式的折射率相差不大），导致在谐振点对应波长的附近波段仍然存在较强的耦合，即两个损耗峰的半高宽很宽，两个损耗峰叠加，使两峰之间的其他波长处损耗均高于20dB/cm。综合以上的种种优点，从而可以实现更好的宽带偏振滤波效果。采用该技术方案，实施例在1550nm处芯区y偏振态模式和x偏振态模式的损耗分别为1169.9dB/cm和0.9×10-3dB/cm，在1900nm处芯区y偏振态模式和x偏振态模式的损耗分别为1179.3dB/cm和0.6×10-1dB/cm，同时两个波长处损耗峰的半高宽都很宽，使在1300-2000nm波段范围内芯区y偏振态模式的损耗均高于20dB/cm，最终可以在0.5mm长的光纤中，获得1300-2000nm范围内的宽带偏振滤波特性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的等效折射率示意图；

图3为本发明的损耗示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明是一种新型的宽带微结构光纤偏振滤波器，该技术方案的基本设计思路为（以下记中心空气孔的圆心为原点，以紧邻中心空气孔的第一层6个正六边形排布空气孔为参照，记连接任意两个正六边形对角上空气孔中心的直线为x轴，记通过原点并与x轴垂直的方向为y轴）：微结构光纤以石英为基底；光纤中的空气孔整体上成正六边形排布，并且三个空气孔能够形成正三角形分布；在光纤芯区填充向列相液晶E7，使芯区偏振态模式产生高双折射。对从原点向外沿着y轴正方向的第一个圆心位于y轴上的空气孔和以x轴为对称轴在y轴负方向对称位置的空气孔的内侧镀金，使其表面能够形成SPP模式。由于镀金空气孔不紧邻液晶芯，使金属SPP模式折射率升高不大。金属芯和直接环绕金属芯的6个孔径相同的空气孔以及周围石英基底构成C6v对称性结构，使各阶金属SPP模式几乎没有双折射。以上保证了芯区y偏振态模式与0、1阶金属SPP模式分别谐振，利用和低阶金属SPP模式谐振的种种优点实现了宽带偏振滤波。

本发明具体技术方案可以描述为：（1）微结构光纤以石英为基底，空气孔整体上是正六边形排布；将其中的三个空气孔单独来看，三个空气孔能够形成正三角形分布；（2）在光纤中心构建大尺寸空气孔，在空气孔内填入向列相液晶E7，液晶旋转0°，使向列相液晶E7分子平行于指向矢的光轴位于x方向，与周围石英基底一起构成液晶芯。向列相液晶E7的y方向对应的寻常光折射率no小于x方向对应的非寻常光折射率ne，且数值相差很大，因此x方向对应光纤的慢轴，y方向对应光纤的快轴，使芯区产生了10^-1量级的双折射，即芯内x和y两个偏振态模式的折射率分开。同时由于液晶芯的折射率很高，利用液晶折射率各向异性的特点，使液晶芯折射率各向异性并且各方向均大于纯石英芯折射率，所以提高了芯区两个偏振态模式的折射率（即使两个偏振态模式折射率均大于石英基底的折射率）。其效果为：芯区y偏振态模式的折射率略高于石英基底折射率，芯区x偏振态模式的折射率明显大于芯区y偏振态模式的折射率，因此x偏振态模式的折射率远远高于石英基底折射率；（3）改变从原点向外沿着y轴正方向的第一个圆心位于y轴上的空气孔的孔径和以x轴为对称轴在y轴负方向对称位置的空气孔的孔径，对两个空气孔的内侧镀金，使其表面能够形成SPP模式。据正三角形的排布方式可知，此方案的好处在于：首先，保证了镀金空气孔不再紧邻液晶芯，降低了需要保留偏振模式的损耗；其次，镀金空气孔与液晶芯错层排布且没有空气孔的阻隔（即液晶芯与镀金空气孔独立），可以最大程度增大需要滤除的偏振态模式的损耗；同时，镀金空气孔当做金属SPP模式产生的芯，金属芯和直接环绕金属芯的6个孔径相同的空气孔以及周围石英基底构成C6v对称性结构，所以镀金空气孔的各阶金属SPP模式几乎没有双折射（即金属SPP模式的两个偏振态模式折射率一样）；最后，由于液晶芯与镀金空气孔独立，所以液晶芯对镀金空气孔的金属SPP模式的折射率不产生影响，不会提高金属SPP模式的折射率；（4）合理选择镀金空气孔附近各结构参数，如镀金空气孔孔径和镀金层厚度，使所有金属SPP模式折射率数值远远低于芯区x偏振态模式折射率数值，并且使0、1阶金属SPP模式折射率曲线与芯区y偏振态模式折射率曲线各存在一个谐振点。谐振点对应的波长（以下记为谐振波长）处，0、1阶金属SPP模式与芯区y偏振态发生谐振，能量耦合后，0、1阶金属SPP模式折射率曲线与芯区y偏振态模式折射率曲线在谐振波长处分别出现了反交叉和交叉，谐振波长处形成了两个损耗峰。由于0、1阶金属SPP模式折射率曲线与芯区y偏振态模式折射率曲线的斜率都很低（即0、1阶金属SPP模式折射率曲线与芯区y偏振态模式折射率曲线的斜率相差很小），使在远离谐振波长后两折射率曲线分离速度慢，造成芯区y偏振态模式与金属SPP模式在谐振波长附近波段折射率相差不大，仍然存在较强的耦合，使两个损耗峰都存在较宽的拖尾。两个损耗峰拖尾叠加，保证了在两个谐振波长之间损耗高于20dB/cm，从而实现宽带滤除此偏振态模式；（5）芯区x偏振态模式折射率曲线在整个工作带宽范围内与金属SPP模式折射率曲线不存在交点，并未发生谐振，耦合程度非常弱，从而实现低损耗地传输。上述整体原理和方案，实现了宽带滤除一个偏振态光能量，而保证在同样带宽另外一个偏振态光能量传输的技术效果，即实现了宽带偏振滤波。

结合说明书附图的图1，该宽带微结构光纤偏振滤波器，选用石英作为基底材料，包括位于中心的向列相液晶E7填充纤芯、两个镀金空气孔缺陷区和空气孔-石英微结构包层。相邻的空气孔间隔的距离相同，将其中三个空气孔单独观察，能够发现这三个空气孔是成正三角形排布的。其中，优选地，相邻两个空气孔的孔间距Λ范围为1.76-1.8μm。空气孔-石英微结构包层包含从原点向外的第一至第四层空气孔，每层空气孔排列形成正六边形结构，从原点向外的第一至第四层每层的空气孔数依次为6、10、18、24。优选地，空气孔直径d1范围为0.92-0.96μm。

将中心的空气孔增大并且填充向列相液晶E7，与周围的石英基底构建向列相液晶E7填充纤芯，向列相液晶E7分子平行于指向矢的光轴位于x方向。优选地，位于中心的空气孔的直径d2范围为1.78-1.82μm。

镀金空气孔为从原点沿着y轴正方向向外的第一个圆心位于y轴上的空气孔及以x轴为对称轴在y轴负方向对称位置的空气孔。优选地，镀金空气孔的直径d3范围为2.22-2.26μm，金层厚度t范围为18-22nm。

参见附图2，芯区x偏振态模式、芯区y偏振态模式折射率分别用n1（x）、n1（y）表示，0阶、1阶y偏振方向金属SPP模式的折射率分别用nSPP0（y）、nSPP1（y）表示。具体而言，芯区两个偏振态模式折射率n1（x）、n1（y）主要由d1、d2、d3、Λ共同决定，0阶、1阶y偏振方向金属SPP模式的折射率nSPP0（y）、nSPP1（y）主要由d1、d3、t、Λ共同决定。因此，需要综合考虑光纤各参数对芯区两个偏振态模式折射率和金属SPP模式折射率的影响。通过调节光纤各参数，使芯区产生了10-1量级的双折射，其中芯区y偏振态模式的折射率略高于石英折射率，芯区x偏振态模式的折射率远远高于石英折射率及0、1阶金属SPP模式的折射率。最终得到折射率曲线n1（y）和nSPP1（y）在1550nm处出现交叉，折射率曲线n1（y）和nSPP0（y）在1900nm处出现反交叉。

参见附图3，交叉点对应的波长1550nm处芯区y偏振态模式与1阶金属SPP模式发生谐振，产生峰值为1169.9dB/cm的损耗峰，反交叉点对应的波长1900nm处芯区y偏振态模式与0阶金属SPP模式发生谐振，产生峰值为1179.3dB/cm的损耗峰。由于芯区x偏振态模式的折射率曲线与0、1阶金属SPP模式的折射率曲线不相交，所以耦合程度非常弱，损耗极低，在1550nm和1900nm处的损耗分别为0.9×10-3dB/cm和0.6×10-1dB/cm。两个损耗峰拖尾叠加，使在1300-2000nm波段范围内芯区y偏振态模式的损耗均高于20dB/cm，最终在0.5mm长的滤波器中获得700nm的宽带。

本领域的技术人员容易理解，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做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带微结构光纤偏振滤波器，选用石英作为基底材料，其特征在于：包括位于中心的向列相液晶E7填充纤芯、两个镀金空气孔缺陷区和空气孔-石英微结构包层；所述光纤中的空气孔整体上成正六边形排布，并且三个空气孔能够形成正三角形分布；将中心的空气孔增大并且填充向列相液晶E7，与周围的石英基底构建向列相液晶E7填充纤芯，记中心空气孔的圆心为原点，以紧邻中心空气孔的第一层6个正六边形排布空气孔为参照，记连接任意两个正六边形对角上空气孔中心的直线为x轴，记通过原点并与x轴垂直的方向为y轴，向列相液晶E7分子平行于指向矢的光轴位于x方向，镀金空气孔为从原点沿着y轴正方向向外的第一个圆心位于y轴上的空气孔及以x轴为对称轴在y轴负方向对称位置的空气孔。

2.根据权利要求1所述的一种宽带微结构光纤偏振滤波器，其特征在于：相邻两个空气孔的孔间距Λ范围为1.76-1.8μm。

3.根据权利要求1所述的一种宽带微结构光纤偏振滤波器，其特征在于：位于中心的空气孔的直径d2范围为1.78-1.82μm。

4.根据权利要求1所述的一种宽带微结构光纤偏振滤波器，其特征在于：镀金空气孔的直径d3范围为2.22-2.26μm，金层厚度t范围为18-22nm。

5.根据权利要求1所述的一种宽带微结构光纤偏振滤波器，其特征在于：空气孔-石英微结构包层包含从原点向外的第一至第四层空气孔，每层空气孔排列形成正六边形结构。

6.根据权利要求5所述的一种宽带微结构光纤偏振滤波器，其特征在于：从原点向外的第一至第四层每层的空气孔数依次为6、10、18、24。

7.根据权利要求5或6任一项所述的一种宽带微结构光纤偏振滤波器，其特征在于：空气孔-石英微结构包层中的空气孔直径d1范围为0.92-0.96μm。

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