CN112444914A - 基于金膜涂覆的d型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，属于特种光纤及其光子器件领域。该器件基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤结构，由光子晶体光纤的纤芯和周期排列的空气孔围绕而成，基底材料为石英，包层空气孔包括由外至内按照正六边形排列的四层空气孔，第一层空气孔因抛磨制备D型光纤而缺失最上层的五个空气孔，第三层空气孔中的较大空气孔的内壁涂覆上了一层金膜，用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料。在具体的实施操作中，本滤波器可以根据共振峰的位置，实现在1250‑1350nm和1550‑1750nm两个波段范围内滤除信号的作用，从而进一步拓宽光子晶体光纤的应用领域。

Description

基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器及制造 方法

技术领域

本发明涉及光纤滤波领域，具体涉及一种基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器及方法。

背景技术

单芯光纤单偏振滤波器的工作原理主要是：由于光纤结构的非绝对对称性，导致光在光纤中传输时每一种传输模式都存在两个相互垂直的偏振模式，每一种偏振模式的光会对应不同的限制损耗随波长的变化曲线，且通常在某些波长处会出现损耗极值峰。因此在同一传输波长下这两个偏振模式通常会对应不同的限制损耗，当通过设计光纤结构使得该光纤具有在指定波长处其某一偏振模式的限制损耗恰好出现极值峰，而另一偏振模式的限制损耗与其相比小到可以忽略时，那么该光纤就具有了偏振滤波的特性，从而可以作为偏振滤波器来使用。具体地，在指定波长处可以将恰好出现损耗极值峰的该偏振方向上的光滤除，而与之垂直的另一偏振方向上的光则可以几乎无损通过，从而通过实现滤波来实现光的单偏振输出。偏振滤波器可用于光纤起检偏器、光纤通信、光纤传感等领域，是光纤技术领域中的重要器件，也是全光纤系统的重要组成部分。

为了增强滤波功能，经常往光子晶体光纤中填充介质，例如酒精和磁流体等。其中，涂覆金属的处理方法业已成为当前光纤滤波器设计中的一种主流手段。这种方法主要利用了表面等离子体共振效应(Surface plasmon resonance,SPR)，这是一种发生在金属介质表面的物理光学现象。当表面等离子体模式与纤芯模式满足相位匹配条件时，在金属表面就会产生等离子体共振。此时，纤芯中传输的光能量大量耦合到表面等离子体波中，导致纤芯光能量的急剧下降，从而在纤芯中传输的光的损耗光谱上出现明显的共振峰，显著提高了滤波特性。

1968年，Otto根据SPR的激发条件设计了棱镜耦合方式的Otto模型；同年，Kretschmann等利用棱镜和金膜在全反射面实现了棱镜耦合方式的Kretschmann模型，金膜的厚度为10-100nm。上述两种棱镜模型为SPR光纤器件的研究与发展提供了基础。1982年Nylander等将SPR原理应用于传感领域，并提出了用于气体检测的SPR传感器。2007年，Zhang等报道了一种基于PCF-SPR的偏振滤波器，促进了光纤滤波器选择性镀膜技术的发展。2011年，NAGASAKI等对金填充PCF偏振耦合特性进行了理论研究，并发现存在强烈的耦合特性。通过在包层空气孔中选择性的填充一根或多根金线，可以获得大的偏振消光比。2015年，Heikal等设计了一种基于金线填充的螺旋线型微结构光纤的偏振滤波器，得到了x和y两个偏振方向模式的限制损耗在0.98μm处分别为94.1dB/mm和6.424dB/mm。2017年，Feng等提出了一种基于大孔径镀金光子晶体光纤的偏振滤波器，实现了在1550nm波长下的滤波功能，损耗可以达到58456.7dB/m。2018年，Zhou等设计了一种基于SPR原理的偏芯光子晶体光纤滤波器，当选择通讯窗口为1550nm时，串扰值为56.2dB,但是对应的带宽只有100nm。

需要指出的是，目前有研究者通过在光子晶体光纤空气孔中填充介质，例如液晶和磁流体，但是这样的滤波器功能单一，制作难度较大。本发明所提出的可调谐光纤偏振滤波器能够在光性能监测器中筛选出不同的波长进行处理，对光放大器的噪声进行滤波减少其不良影响，完成信道动态锁定和下信道输出等，从而简化光通信网络的架构，提高光通信系统的灵活性和效率，推动全光网络的发展。该调谐偏振滤波器调谐范围广、带宽宽、限制损耗小，能够满足很多领域，尤其是光纤器件领域的使用要求，是目前可调谐光学滤波器的首选方案。

发明内容

为了解决上述提到的现有技术的不足，本发明目的在于提供一种结构稳定，具有可调谐功能的D型光子晶体光纤偏振滤波器，其基于D型光子晶体光纤和金属表面等离子波导的性质，实现在1250-1350nm和1550-1750nm波段内可调谐偏振滤波功能。

具体地，本发明提供一种基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，其包括D型光子晶体光纤本体，所述D型光子晶体光纤本体包括基底材料、包层空气孔、金膜及完美匹配层；

所述包层空气孔从外到内依次包括第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔和第四层空气孔，每一层的多个空气孔分别组成一个独立的六边形结构；

所述第一层空气孔和第二层空气孔均包括若干个第一直径空气孔；所述第三层空气孔包括若干个第一直径空气孔和一个第二直径空气孔，其中，所述第二直径空气孔的直径大于第一直径空气孔的直径，且所述第二直径空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条竖直直线上，所述第二直径空气孔的内壁上涂覆有一层金膜，所述金膜用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料；

所述第四层空气孔包括两个第三直径空气孔和若干个第一直径空气孔，用于限制光束在纤芯内进行传输，并且通过改变第三直径空气孔尺寸来调节光纤的高双折射效应，所述第三直径空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条水平直线上，且第三直径空气孔的圆心与光纤圆心的连线与第二直径空气孔的圆心与光纤圆心连线相互垂直；

所述完美匹配层位于光子晶体光纤的外面，其为在对光纤进行性能仿真时所添加的计算边界；

所述D型光子晶体光纤本体的上部设置有深度为h的抛磨缺口。

优选地，所述第一直径空气孔的直径为1.2μm，所述第二直径空气孔的直径为2μm。

优选地，所述光纤的基底材料为二氧化硅。

优选地，所述相邻的任意两个空气孔的圆心之间的间距均为2μm。

优选地，所述金膜的材料为金，所述金膜的厚度为21nm。

优选地，当所述抛磨缺口的深度h＝6μm且第三直径空气孔直径d＝1.8μm，金膜的厚度t在19-24nm之间改变时；或者

当所述抛磨缺口的深度h＝6μm且金膜厚度t＝21nm时，第三直径空气孔直径d在1.2-2.2μm之间改变时，能够实现在1250-1350nm和1550-1750nm两个波段范围内调谐滤波的作用。

优选地，当所述抛磨缺口的深度h＝6μm时，第一层空气孔的最上层的空气孔缺失。

优选地，本发明还提供一种制造所述的基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器的方法，其包括以下步骤：

S1、根据滤波器的外尺寸及工作波段，选定第一直径空气孔的直径为1.2μm、孔间距为2μm，并选择空气孔按照正六边形排列的对称排列方式作为光纤的初始结构进行仿真；

S2、引入双折射效应，实现x和y两个偏振方向上的损耗的高对比性，进而实现滤波器的偏振滤波特性，具体包括以下子步骤：

S21、加大第三直径空气孔的直径，从而打破纤芯附近空气孔的局部结构对称性，实现对x和y两个偏振方向上的损耗高对比性的体现；

S22、对光纤外形的D型化进行处理，使光更好地向D型抛面方向进行泄露，加大芯模光在x和y两个偏振方向上损耗的高对比性；

S23、对第二直径空气孔内壁进行金膜的填充，金膜用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料，通过调整金膜的厚度来优化等离子体共振模式和纤芯基模的相位匹配关系，将相位匹配时的等离子体共振波长位置调整到需要的目标波长位置，从而实现滤波器在特定波长处的滤波功能；

S24、利用有限元方法对光纤结构进行初步的建模优化，经过不断的参数优化调整，初步确定第三空气孔的直径的调整范围、第二空气孔的直径大小以及内涂金膜的厚度取值范围；

S3、确定最终的第二直径大小、金膜厚度取值以及抛磨缺口深度等的优化参数；

S4、根据步骤S2当中的滤波器，通过调整空气孔的第三直径或者调整金膜的厚度实现对滤波器的滤波波段进行选择性调谐的功能，对步骤S2和步骤S3的参数进行优化，并利用有限元方法对空气孔的第三直径和金膜厚度进行优化，分别实现在抛磨缺口深度参数确定下和在第三空气孔直径确定下的滤波器的调谐性滤波功能；

S5、对步骤S4中得到的滤波器性能是否达到预先设定的需求进行验证，如果达到预先设定的要求则按照确定的结构参数作为滤波器最终结构参数进行滤波器的串扰性能仿真计算，如果未达到预先设定的要求则返回步骤S2，不断重复S2～S3的步骤，直至滤波器性能达到预先设定的需求。

优选地，步骤S4中通过以下两种手段来实现滤波器的调谐滤波：

a、当所述第一直径空气孔的直径为1.2μm、孔间距为2μm、抛磨缺口的深度为6μm、第二直径空气孔的直径为2μm且第三直径空气孔的直径d为1.8μm时，在19-24nm范围内改变金膜的厚度t；

b、当所述第一直径空气孔的直径为1.2μm、孔间距为2μm、抛磨缺口的深度为6μm、第二直径空气孔的直径为2μm且金膜的厚度t为21nm时，在1.2-2.2μm之间调节第三直径空气孔的直径d。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明的偏振滤波器具有低损耗、低串扰和宽带宽的滤波特性。

2.本发明可以通过对空气孔直径或金属膜厚度的选择性调控来实现滤波器调谐滤波的功能，调谐手段灵活多样。

3.本发明能够在1250-1350nm和1550-1750nm两个波段范围内同时进行滤波调节，很好地解决了双波段同时滤波的现实需求。该滤波器适合调节的波段范围覆盖1310nm和1550nm这两个主要的通信波段，且滤波输出带宽较宽，滤波器具有很强的实用性，具有较好的应用前景。

4.本发明公开了一种可调谐偏振光纤滤波器的设计方法及设计步骤，在步骤中详细给出了基于光纤结构的偏振滤波器件的设计思路，这对同类传感器的设计具有参考意义，尤其是为特殊双波段滤波器的设计和研发提供了方法和参考。

5.在所公开的滤波器的设计方法中，通过将光纤结构的设计参数变化与最终能够实现的功能改变之间进行关联联系，明晰了滤波器的设计思路，降低了滤波器设计的盲目性，降低了设计成本，提高了设计效率。本发明对基于光纤的偏振滤波器设计具有参考意义。

附图说明

图1为本发明实施例一的光纤截面示意图；

图2为本发明实施例一的抛磨平台示意图；

图3a-3c为本发明实施例一的三种抛光深度下的基模模场分布图；

图4a-图4d为本发明实施例二的结构参数对共振波长和折射率的变化曲线；

图5a为本发明实施例三中调节空气孔直径对共振波长以及折射率的影响；

图5b为本发明实施例三中调节金膜厚度对共振波长以及折射率的影响；

图6a-图6d为本发明实施例三的不同金膜厚度下的等离子体模场分布图；

图7为本发明实施例三的不同金膜厚度下的串扰随波长的变化曲线；

图8为本发明实施例四的可调谐偏振光纤滤波器的设计过程流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本发明提供一种基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，如图1所示，其包括D型光子晶体光纤本体，D型光子晶体光纤本体包括基底材料、包层空气孔3、金膜及完美匹配层。

包层空气孔3从外到内依次包括第一层空气孔31、第二层空气孔32、第三层空气孔33和第四层空气孔34，每一层的多个空气孔分别组成一个独立的六边形结构。

第一层空气孔31和第二层空气孔32均包括若干个第一直径空气孔35；第三层空气孔33包括若干个第一直径空气孔35和一个第二直径空气孔1，其中，第二直径空气孔的直径大于第一直径空气孔35的直径且第二直径空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条竖直直线上，第二直径空气孔的内壁上涂覆有一层金膜，金膜用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料。

第四层空气孔34包括两个第三直径空气孔36和若干个第一直径空气孔35，用于限制光束在纤芯内进行传输，并且通过改变第三直径空气孔36尺寸来调节光纤的高双折射效应，第三直径空气孔36的圆心与光纤圆心位于同一条水平直线上，且第三直径空气孔36的圆心与光纤圆心的连线与第二直径空气孔35的圆心与光纤圆心连线相互垂直。

完美匹配层位于光子晶体光纤的外面，其为在对光纤进行性能仿真时所添加的计算边界。

D型光子晶体光纤本体的上部设置有深度为h的抛光缺口。

具体地在实施例中，第一直径空气孔的直径为1.2μm，第二直径空气孔的直径为2μm，第二直径空气孔的内壁涂覆上了一层金膜，金膜用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料，金膜的材料为金，当设置抛磨深度h＝6μm且第三直径空气孔的直径为1.8μm，金膜的厚度t在19-24nm之间改变时，可以实现在1250-1350nm和1550-1750nm两个波段范围内调谐滤波的作用。当设置抛磨深度h＝6μm且金膜厚度t＝21nm时，第三直径空气孔的直径d在1.2-2.2μm之间调节时，也可以实现在1250-1350nm和1550-1750nm两个波段范围内调谐滤波的作用。

实施例一

一种基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器的横截面如图1所示，该器件基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤4结构，由D型光子晶体光纤的纤芯2和周期排列的包层空气孔3围绕而成，基底材料为石英；包层空气孔按照正六边形排列，由外至内包括第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔和第四层空气孔。第一层空气孔和第二层空气孔中的空气孔直径相等；第三层空气孔由两种不同尺寸的空气孔组成，其较大空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条竖直直线上，而且在其内壁涂覆上了一层金膜，用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料；第四层空气孔也是由两种不同尺寸的空气孔组成，用于限制光束在纤芯2内进行传输，并且通过改变其空气孔尺寸来调节光纤的高双折射效应，其较大空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条水平直线上。

本实施案例中需要对光纤进行抛磨处理，图2展示了光纤抛磨操作平台的主体结构，主要包含抛磨砂轮41和微调节架45。首先，在D型光子晶体光纤的两端分别熔接两根单模光纤41、43，然后利用微调节支架45将光子晶体光纤的两端固定，中间待抛磨部分搭在带有直流电机的抛磨砂轮上面，通过改变砂轮的旋转速度和更换不同粗糙度的砂纸可以实现对抛磨区域长度和抛磨深度的调节。此外，为了确保良好的抛磨效果，可以在两根单模光纤的末端42分别连接光功率计46和激光光源47。当光纤抛磨到一定程度时，光子晶体光纤表面就会有亮光泄露出来，此时通过观测功率计示数的变化情况，能够精准控制光纤抛磨过程。

本实施案例中由于光纤结构的非绝对对称性，导致光在光纤中传输时每一种传输模式都存在两个相互垂直的偏振模式，金属与纤芯组成的竖直方向为y偏振方向，与之正交的水平方为x偏振方向。此外，抛光深度被定义为抛光后光纤表面距光纤纤芯的距离。图3展示了当设置第三空气孔直径d＝1.8μm且金膜厚度t＝21nm，抛光深度分别为(6μm a)、(8μmb)和(9μm c)时的y偏振方向基模模场分布图。如图3a图3c所示，当抛光深度为6μm时，结构的对称性被严重打破，这样会增大光传输过程中能量的泄露，导致表面等离子体共振效应增强，从而提高了在共振波长下的实时滤波特性。基于此，为了保证滤波器的使用性，我们选择6μm作为抛磨深度优化后的参数。

实施例二

一种基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器的横截面如图1所示，该器件基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤4结构，由D型光子晶体光纤的纤芯2和周期排列的包层空气孔3围绕而成，基底材料为石英；包层空气孔3按照正六边形排列，由外至内包括第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔和第四层空气孔。第一层空气孔和第二层空气孔中的空气孔直径相等；第三层空气孔由两种不同尺寸的空气孔组成，其较大空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条竖直直线上，而且在其内壁涂覆上了一层金膜，用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料；第四层空气孔也是由两种不同尺寸的空气孔组成，用于限制光束在纤芯内进行传输，并且通过改变其空气孔尺寸来调节光纤的高双折射效应，其较大空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条水平直线上。

本实施案例中，一方面设置h＝6μm且t＝21nm,当改变第四层空气孔中第三空气孔直径d时，x和y两个偏振方向基模模式的损耗随波长的变化曲线分别如图4a所示。另一方面，设置h＝6μm且第四层空气孔中第三空气孔直径d＝1.8μm，当改变金膜厚度t时，x和y两个偏振方向基模模式的损耗随波长的变化曲线分别如图4b所示。由于光子晶体光纤的对称性被破坏，光子晶体光纤具有较高的双折射。金属与光纤接触面存在金属表面等离子波导模式，且在不同波长处与y偏振方向基模耦合，此时基模的损耗剧增，在共振波长处出现了明显的损耗峰，而在x偏振方向基模的损耗几乎为0，两个正交方向的基模损耗差异较大，从而实现单偏振滤波效果。如图4所示，当调节第三空气孔直径和金膜厚度时，在1250-1350nm和1550-1750nm两个波段内都出现了损耗峰。随着空气孔直径和金膜厚度的增大，损耗峰对应下的共振波长分别发生了红移和蓝移。图4c和图4d分别展示了当改变第三空气孔直径和金膜厚度时，y偏振方向基模模式和表面等离子体模式(Surface plasmonpolariton,SPP)的折射率随波长的变化曲线。可以发现，在每种参数下，两种模式的曲线在共振波长处都发生了两次交叉，即产生了两次模式耦合，所以导致在1250-1350nm和1550-1750nm两个波段内都出现了损耗峰，这与图4a和图4b所示的双峰结果正好对应。此外，如图4c所示，当同一波长的光束通过时，随着空气孔直径的增大，SPP模对应的折射率没有明显的变化，而基模对应的折射率却显著降低。因此，折射率的交点向较长波长方向移动，从而导致损耗峰的位置发生了红移。如图4d所示，当同一波长的光束通过时，随着金膜厚度的增加，基模对应的折射率没有明显的变化，而SPP模对应的折射率却显著增大。因此，折射率的交点向较短波长方向移动，从而导致损耗峰的位置发生了蓝移。

实施例三

一种基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器的横截面如图1所示，该器件基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤4结构，由D型光子晶体光纤的纤芯2和周期排列的包层空气孔3围绕而成，基底材料为石英；包层空气孔按照正六边形排列，由外至内包括第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔和第四层空气孔。第一层空气孔和第二层空气孔中的空气孔直径相等；第三层空气孔由两种不同尺寸的空气孔组成，其较大空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条竖直直线上，而且在其内壁涂覆上了一层金膜，用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料；第四层空气孔也是由两种不同尺寸的空气孔组成，用于限制光束在纤芯内进行传输，并且通过改变其空气孔尺寸来调节光纤的高双折射效应，其较大空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条水平直线上。

本实施案例中，图5a和图5b分别具体展示了调节空气孔直径和调节金膜厚度对共振波长以及折射率的影响。当h＝6μm且t＝21nm时，随着第四层空气孔中的第三空气孔直径d以间隔0.2μm，从1.2μm升高到2.2μm过程中，可以在短波段(1250-1350nm)和长波段(1550-1750nm)之间分别获得对应的滤波波长。当h＝6μm且d＝1.8μm时，随着金膜厚度以间隔1nm，从19nm升高到24nm过程中，也可以在短波段(1250-1350nm)和长波段(1550-1750nm)之间分别获得对应的滤波波长。基于此，在短波段1250-1350nm之间，我们将共振波长(λd)、空气孔直径(d)、共振波长(λt)和金膜厚度(t)之间的变化关系进行了一次线性拟合，得出拟合方程为：λd＝68.5714d+1193.42857和λt＝-17.714t+1684.19。另一方面，在长波段1550-1750nm之间，我们得出的拟合方程分别为λd＝157.14286d+1356.19048和λt＝-25.428t+2165.05。根据拟合方程，可以通过改变结构参数来达到调节共振波长的目的。例如，当金膜厚度分别设置为t＝21nm和t＝24nm时，在y偏振方向基模损耗传输谱中就会在1310nm和1550nm(常见通讯窗口)出现共振损耗峰，此时该偏振方向上的光就会被滤除，而与之垂直的x偏振方向上的光则可以几乎无损通过，从而实现光的单偏振输出。如果需要增大波长至1330nm，只需要将λt＝1330nm代入上文提到的对应的拟合方程λt＝-17.714t+1684.19，从而可以得出需要制备的金膜厚度值t＝20nm，这样便可以达到滤除1330nm光信号的目的，设计出需要的滤波器件。同理，如果我们需要滤除的共振波长在1250-1350nm和1550-1750nm之间，就可以通过将需要滤除的波长代入对应的拟合方程求解，便可以得出合适的结构参数包括金膜厚度和空气孔直径，达到制备可调谐偏振滤波器的使用效果。

本实施案例中，当设置抛磨深度h＝6μm,第四层空气孔中第三空气孔直径d＝1.8μm和金膜厚度t＝21nm时，图6a和图6b分别展示了在1250-1350nm和1550-1750nm波段处对应的SPP模场分布图。当传输光波长在1250-1350nm之间时，由三阶等离子体模式与纤芯模式产生表面等离子体共振，而当传输光波长的增大到1550-1750nm之间时，转变为二阶等离子体模式与纤芯模式产生表面等离子体共振。为了对比研究，增大金膜厚度为24nm，图6c和图6d分别展示了在1250-1350nm和1550-1750nm波段处对应的SPP模场分布图。可以发现，金膜厚度的改变不会影响共振模场的变化。此外，从图4b可以看出，在1550-1750nm波段内出现的损耗峰强度明显高于在1250-1350nm波段内出现的损耗峰，造成这种现象的原因主要是因为二阶等离子体模式与纤芯模式发生的是完全耦合，而三阶等离子体模式与纤芯发生的是不完全耦合。

串扰是所提出工作在特定波长下的偏振滤波器的一个重要参数。采用带宽去分析所设计的工作在通信波段偏振滤波器性能，定义带宽范围是低于-20dB或者高于20dB。串扰公式定义为：CT＝20lg{[exp(α2-α1)L]}.式中α1和α2表示x偏振方向和y偏振方向的基模的限制损耗；L表示光纤长度。在本实施案例中，当设置h＝6μm和第四层空气孔中第三空气孔直径d＝1.8μm时，在不同金膜厚度下，串扰值随波长的变化曲线如图7所示。可以得出，串扰峰值随着金膜厚度的增加几乎没有改变，而且串扰峰对应的传输波长不随光纤长度的改变而改变，这表明本发明所提出的滤波器具有很好的稳定性。另一方面，当光纤长度为1mm且金膜厚度t＝24nm时，检测得到的带宽高达700nm。与其他报道相比，本发明所提出的偏振滤波器不仅在1250-1350nm和1550-1750nm两个波段内能够实现调谐滤波功能，而且在稳定性、增大带宽等方面都有很大的提高。

实施例四

本实施例将介绍本发明基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振光纤滤波器的设计方法，其步骤包括：

S1、根据滤波器的外尺寸及工作波段等的设计要求，选定第一直径空气孔的直径为1.2μm、孔间距为2μm，并选择空气孔按照正六边形排列的对称排列方式来作为光纤的初始结构来进行仿真设计。

S2、根据滤波器的工作原理及设计机理，需要在结构设计中打破其空间结构的对称性来引入双折射效应，以此来实现x和y两个偏振方向上的损耗的高对比性，进而实现滤波器的偏振滤波特性。基于此，首先在设计中通过加大第三直径空气孔的直径来选择打破纤芯附近空气孔的局部结构对称性，尤其是在图示左右方向上的对称性，进而实现对x和y两个偏振方向上的损耗高对比性体现；其次，通过对光纤外形的D型化处理来进一步破坏光纤结构对芯区光限制在图示上下方向上的对称性，以便实现对芯区传输光向包层区泄露进行受控性的引导，引导光更好地向D型抛面方向进行泄露，进一步加大芯模光在x和y两个偏振方向上损耗的高对比性；再次，通过在第二直径空气孔内壁进行金膜的填充，金膜用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料，通过调整金膜的厚度来优化等离子体共振模式和纤芯基模的相位匹配关系，将相位匹配时的等离子体共振波长位置调整到要设计的目标波长位置，从而实现滤波器在特定波长处的滤波功能。利用有限元方法对光纤结构进行初步的建模优化，经过不断的参数优化调整，初步确定空气孔的第三直径的调整范围、空气孔的第二直径大小以及内涂金膜的厚度取值范围。为提高等离子体共振效应的效果，空气孔的第二直径和第三直径均应大于空气孔的第一直径。本实施例中确定空气孔的第二直径为d＝2μm，第三直径的调整范围为1.2μm-2.2μm，金膜厚度的取值范围为19nm-24nm。

S3、D型光纤抛面到原始光纤的几何中心位置之间的距离为抛磨缺口深度，该值的大小也会影响滤波器的性能。在步骤S2优化基础上进一步讨论抛磨缺口深度对滤波器滤波特性的影响，综合研究滤波器在两种不同的调谐模式下的滤波波段及性能特点。确定最终的第二直径大小、金膜厚度取值以及抛磨缺口深度等的优化参数。本实施例中最终将缺口深度优化确定为h＝6μm。

S4、根据步骤S2当中的滤波器设计机理，通过调整空气孔的第三直径或者调整金膜的厚度可以实现对所设计滤波器的滤波波段进行选择性调谐的功能。对步骤S2和步骤S3的参数优化基础上，进一步利用有限元方法对空气孔的第三直径和金膜厚度进行优化设计，最终分别实现在抛磨缺口深度参数确定下和在第三空气孔直径确定下的滤波器的调谐性滤波功能。

S5、如果在步骤S4中得到的滤波器性能达到设计要求，则完全固定结构参数进行滤波器的串扰等其他相关特性的计算工作。如果没有达到设计要求，则重新返回步骤S2，不断重复S2～S3的步骤，直至优化确定最佳的滤波器结构。

S6、根据步骤S5中的确定的结构参数，本发明滤波器在两种调谐模式下均实现了涵盖1310nm和1550nm两个通讯波长的O波段(1250-1350nm)和L波段(1550-1750nm)两个通讯波段内的双波段同时滤波。具体地，本发明可以通过以下两种手段来实现滤波器的调谐滤波：

a、当第一直径空气孔的直径为1.2μm、孔间距为2μm、抛磨缺口的深度为6μm、第二直径空气孔的直径为2μm且第三直径空气孔的直径d为1.8μm时，在19-24nm范围内改变金膜的厚度t；

b、当第一直径空气孔的直径为1.2μm、孔间距为2μm、抛磨缺口的深度为6μm、第二直径空气孔的直径为2μm且金膜的厚度t为21nm时，在1.2-2.2μm之间调节第三直径空气孔的直径d。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，其特征在于：其包括D型光子晶体光纤本体，所述D型光子晶体光纤本体包括基底材料、包层空气孔、金膜及完美匹配层；

所述包层空气孔从外到内依次包括第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔和第四层空气孔，每一层的多个空气孔分别组成一个独立的六边形结构；

所述第一层空气孔和第二层空气孔均包括若干个第一直径空气孔；所述第三层空气孔包括若干个第一直径空气孔和一个第二直径空气孔，其中，所述第二直径空气孔的直径大于第一直径空气孔的直径，且所述第二直径空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条竖直直线上，所述第二直径空气孔的内壁上涂覆有一层金膜，所述金膜用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料；

所述第四层空气孔包括两个第三直径空气孔和若干个第一直径空气孔，用于限制光束在纤芯内进行传输，并且通过改变第三直径空气孔尺寸来调节光纤的高双折射效应，所述第三直径空气孔的圆心与光纤圆心位于同一条水平直线上，且第三直径空气孔的圆心与光纤圆心的连线与第二直径空气孔的圆心与光纤圆心连线相互垂直；

所述完美匹配层位于光子晶体光纤的外面，其为在对光纤进行性能仿真时所添加的计算边界；

所述D型光子晶体光纤本体的上部设置有深度为h的抛磨缺口。

2.根据权利要求1所述的基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，其特征在于：所述第一直径空气孔的直径为1.2μm，所述第二直径空气孔的直径为2μm。

3.根据权利要求1所述的基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，其特征在于：所述光纤的基底材料为二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，其特征在于：所述相邻的任意两个空气孔的圆心之间的间距均为2μm。

5.根据权利要求1所述的基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，其特征在于：所述金膜的材料为金，所述金膜的厚度为21nm。

6.根据权利要求1所述的基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，其特征在于：当所述抛磨缺口的深度h＝6μm且第三直径空气孔直径d＝1.8μm，金膜的厚度t在19-24nm之间改变时；或者

当所述抛磨缺口的深度h＝6μm且金膜厚度t＝21nm时，第三直径空气孔直径d在1.2-2.2μm之间改变时，能够实现在1250-1350nm和1550-1750nm两个波段范围内调谐滤波的作用。

7.根据权利要求1所述的基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器，其特征在于：当所述抛磨缺口的深度h＝6μm时，第一层空气孔的最上层的空气孔缺失。

8.一种制造权利要求1所述的基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、根据滤波器的外尺寸及工作波段，选定第一直径空气孔的直径为1.2μm、孔间距为2μm，并选择空气孔按照正六边形排列的对称排列方式作为光纤的初始结构进行仿真；

S2、引入双折射效应，实现x和y两个偏振方向上的损耗的高对比性，进而实现滤波器的偏振滤波特性，具体包括以下子步骤：

S21、加大第三直径空气孔的直径，从而打破纤芯附近空气孔的局部结构对称性，实现对x和y两个偏振方向上的损耗高对比性的体现；

S22、对光纤外形的D型化进行处理，使光更好地向D型抛面方向进行泄露，加大芯模光在x和y两个偏振方向上损耗的高对比性；

S23、对第二直径空气孔内壁进行金膜的填充，金膜用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料，通过调整金膜的厚度来优化等离子体共振模式和纤芯基模的相位匹配关系，将相位匹配时的等离子体共振波长位置调整到需要的目标波长位置，从而实现滤波器在特定波长处的滤波功能；

S24、利用有限元方法对光纤结构进行初步的建模优化，经过不断的参数优化调整，初步确定第三空气孔的直径的调整范围、第二空气孔的直径大小以及内涂金膜的厚度取值范围；

S3、确定最终的第二直径大小、金膜厚度取值以及抛磨缺口深度等的优化参数；

S4、根据步骤S2当中的滤波器，通过调整空气孔的第三直径或者调整金膜的厚度实现对滤波器的滤波波段进行选择性调谐的功能，对步骤S2和步骤S3的参数进行优化，并利用有限元方法对空气孔的第三直径和金膜厚度进行优化，分别实现在抛磨缺口深度参数确定下和在第三空气孔直径确定下的滤波器的调谐性滤波功能；

S5、对步骤S4中得到的滤波器性能是否达到预先设定的需求进行验证，如果达到预先设定的要求则按照确定的结构参数作为滤波器最终结构参数进行滤波器的串扰性能仿真计算，如果未达到预先设定的要求则返回步骤S2，不断重复S2～S3的步骤，直至滤波器性能达到预先设定的需求。

9.根据权利要求8所述的基于金膜涂覆的D型光子晶体光纤可调谐偏振滤波器的方法，其特征在于：步骤S4中通过以下两种手段来实现滤波器的调谐滤波：

a、当所述第一直径空气孔的直径为1.2μm、孔间距为2μm、抛磨缺口的深度为6μm、第二直径空气孔的直径为2μm且第三直径空气孔的直径d为1.8μm时，在19-24nm范围内改变金膜的厚度t；

b、当所述第一直径空气孔的直径为1.2μm、孔间距为2μm、抛磨缺口的深度为6μm、第二直径空气孔的直径为2μm且金膜的厚度t为21nm时，在1.2-2.2μm之间调节第三直径空气孔的直径d。

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