CN112596280B - 一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，包括：反谐振光纤、二氧化钒薄膜和脉冲调制激光源；所述反谐振光纤由空气纤芯、空芯薄壁管和管状外包层组成，所述管状外包层的内壁均匀分布所述空芯薄壁管；所述空芯薄壁管彼此之间无接触形成无节点式结构，所述空芯薄壁管环绕于所述空气纤芯周围作为内包层；所述二氧化钒薄膜沉积于所述空芯薄壁管内壁；所述脉冲调制激光源通过耦合进入所述空芯薄壁管内，激励所述二氧化钒薄膜发生相变，使空气纤芯中的太赫兹波发生偏振；控制不同空芯薄壁管内脉冲激光的通断与强度，可以对太赫兹波的偏振状态进行调控。本发明实现了基于HC‑ARF的高速波导偏振调控器件，补全了在偏振调控器件领域的空缺。

Description

一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器
技术领域
本发明涉及光纤调控器件技术领域，尤其涉及一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)波是频率为0.1～10THz的电磁波，在光谱中处于微波和红外光之间，因其在光谱中的特殊位置，同时具有优良的光子学和电子学特性。THz波具有许多独特的特点，如对非极化物质具有较高的穿透性，本身光子能量较低，并且具有宽带宽和大通信容量等特性。因此THz波可以广泛应用于医学成像、安全检查、环境监测、大气遥感以及基础物理研究等领域。
因为大气中的水蒸气对THz波具有较强的吸收，使得THz波在自由空间中传输时有较大的损耗并且难以控制其传输方向，所以低损耗高传输性能的THz波导成为了THz波应用的迫切需求。在众多波导研究中，空芯光纤作为一种新兴波导备受关注，通过巧妙的几何设计，空芯光纤将光束约束在光纤中间的空气孔中进行传输，导光介质为空气，与传统的固体导光介质相比，空气有更低的瑞利散射和非线性效应，所以光传输效果更加优异。其中HC-ARF(Hollow-core anti-resonant fiber，空芯反谐振光纤)在THz波段具有结构简单、高传输带宽、低传输损耗、高损伤阈值等特点，近年来引起了科研工作者们的广泛关注。
随着HC-ARF的不断发展，基于HC-ARF的THz器件如THz开关、调制器、偏振器等器件也成为THz应用一个新的研究方向。其中THz偏振调控器件是THz光谱和成像系统的重要器件，通过偏振器不但可以得到不同偏振状态下的THz波，而且可以获得不同的相位延迟从而直接获得物体的复介电常数。
现有的关于THz偏振调控器件的研究还在初级阶段，大多是利用“三明治”式的二维层结构进行偏振调控，这种结构虽然制作简单，但是相较波导调控器件来说在使用以及耦合方面有诸多不足，而且应用面较窄。
基于HC-ARF的波导偏振调控器件将调控功能集成于波导之内，与HC-ARF耦合更加方便，而且HC-ARF具有良好的传输特性，在实现调控功能的同时，还可以实现低损耗传输的效果。在HC-ARF高速发展的环境下，基于HC-ARF的波导偏振调控器件的研究逐渐提上日程。
发明内容
本发明提供了一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，本发明实现了基于HC-ARF的高速波导偏振调控器件，补全了HC-ARF在偏振调控器件领域的空缺，详见下文描述：
一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，所述调控器包括：反谐振光纤、二氧化钒薄膜和脉冲调制激光源；
所述反谐振光纤由空气纤芯、空芯薄壁管和管状外包层组成，所述管状外包层的内壁均匀分布所述空芯薄壁管；所述空芯薄壁管彼此之间无接触形成无节点式结构，所述空芯薄壁管环绕于所述空气纤芯周围作为内包层；所述二氧化钒薄膜沉积于所述空芯薄壁管内壁；
所述脉冲调制激光源通过耦合进入所述空芯薄壁管内，激励所述二氧化钒薄膜发生相变，使空气纤芯中的太赫兹波发生偏振；控制不同空芯薄壁管内脉冲激光的通断与强度，可以对太赫兹波的偏振状态进行调控。
其中，所述反谐振光纤内设有四个空芯薄壁管。所述反谐振光纤的材料为环烯烃共聚物。
进一步地，所述空芯薄壁管截面为圆形，所述空芯薄壁管厚度满足太赫兹波的反谐振周期。
其中，所述二氧化钒薄膜厚度为0.4μm-2μm。
优选地，所述二氧化钒为纳米颗粒，经非极性硅烷功能化后，将其分散在己烷胶体中制成二氧化钒胶体，将所述二氧化钒胶体注入所述空芯薄壁管中，提高温度蒸发己烷，在空芯薄壁管内壁沉积一层二氧化钒薄膜。
其中，所述脉冲调制激光源为纳秒量级，调制激光源能量密度不小于100μJ/cm2。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明提供了一种新的偏振调控机理：利用VO2薄膜的相变可以对沉积有VO2薄膜的HC-ARF的反谐振周期进行调控；在这一新发现的基础上，本发明设计了基于HC-ARF的THz偏振调控器，通过控制脉冲激光的通断可以对入射THz波的偏振状态进行高速调控，实现了一种基于HC-ARF的偏振调控器；
2、本发明利用光诱导VO2薄膜发生相变对HC-ARF进行调控，结构简单、调控速度快、调控效果优异，可以广泛应用于THz通信、图像处理、生物成像等领域；
3、本发明提供的THz反谐振光纤偏振调控器不仅补全了HC-ARF在偏振调控器件领域的空缺，而且相对“层结构”调控器件，波导调控器件与光源的耦合更方便且应用广泛。
附图说明
图1为THz反谐振光纤偏振调控器的三维示意图；
图2为THz反谐振光纤偏振调控器的横截面示意图；
图3为无脉冲激光辐照时沉积二氧化钒薄膜的反谐振光纤的基模场强分布图；
图4为实施例中y方向实现偏振时不同偏振方向的折射率随光通量的变化曲线图；
图5为实施例中y方向实现偏振时不同偏振方向的损耗随光通量的变化曲线图；
图6为实施例中y方向实现偏振时不同偏振方向的场强分布图：
其中，(a)y偏振方向的场强分布图；(b)x偏振方向的场强分布图；
图7为实施例中x方向实现偏振时不同偏振方向的场强分布图：
其中，(a)x偏振方向的场强分布图；(b)y偏振方向的场强分布图。
附图中，各部件所代表的列表如下：
1：管状外包层；2：空芯薄壁管；
3：二氧化钒薄膜；4：空气纤芯；
5：太赫兹波；6，7，8，9：脉冲调制激光源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
现有能实现调制功能的材料在THz波段十分有限，往往会伴随着很大的THz吸收损耗。二氧化钒(VO2)是一种相变材料，在温度、光场、电场激励下会发生介质相到金属相的转变，在相变过程中，其电导率会发生3到5个数量级的变化，同时对THz波的透过率也会发生很大的改变。尤其是光诱导VO2相变效率高、响应时间快，最快可利用皮秒脉冲激光器激励达到皮秒量级的相变速度，对于VO2的研究以及应用具有重要意义。
在HC-ARF波导的研究基础上，在其空芯薄壁管内壁沉积一层VO2薄膜，通过控制脉冲激光源的激励实现对入射THz波偏振状态的高速调控。这种基于HC-ARF的波导调控器件不仅补全了HC-ARF在偏振调控器件领域的空缺，而且相对层结构调控器件，波导调控器件与光源的耦合更直接方便且应用更广泛。
参见图1为本实施例THz反谐振光纤偏振调控器的三维示意图，由空芯薄壁管2的内壁沉积有二氧化钒薄膜3的反谐振光纤和4个脉冲调制激光源6，7，8，9组成。反谐振光纤由空气纤芯4、环绕在纤芯周围作为内包层的四个空芯薄壁管2以及包覆在空芯薄壁管2外的管状外包层1组成；空芯薄壁管2相互之间无接触，形成无节点式结构；将二氧化钒纳米颗粒经过非极性硅烷功能化后，分散在己烷胶体中，制出二氧化钒胶体，将制备好的二氧化钒胶体注入四个空芯薄壁管2中，提升温度蒸发己烷，在空芯薄壁管2的内壁沉积一层二氧化钒薄膜3。通过控制不同空芯薄壁管内的脉冲激光的通断可以控制不同空芯薄壁管处二氧化钒薄膜3的相变，从而对入射THz波5的偏振状态进行高速调控，实现基于HC-ARF的高速波导偏振调控器件。
参见图2，反谐振光纤的空气纤芯4的直径为Dcore，内部空芯薄壁管2的内径为d，空芯薄壁管2的厚度为a，管状外包层1的厚度为T。二氧化钒薄膜3在介质相时的电导率小于100S/m，在金属相时的电导率大于3×105S/m，厚度为1μm。中心波长为800nm的脉冲激光源作为调制激光，光通量不小于100μJ/cm2。
由脉冲调制激光源6，7，8，9发出的脉冲激光入射到空芯薄壁管2中，激励二氧化钒薄膜3发生相变，空芯薄壁管2的管壁处的反谐振周期发生剧烈变化，使得空气纤芯4中传输的太赫兹波5的损耗发生改变，通过控制四个脉冲激光6，7，8，9的通断，可以使入射THz波变为不同偏振方向的偏振光，从而实现THz波的偏振调控。
实施例：
所设计的THz反谐振光纤调控器件如图1所示，空气纤芯4的直径Dcore为2mm；围绕在纤芯周围的空芯薄壁管2的内径d为1mm；空芯薄壁管2的壁厚a满足反谐振周期条件：
Figure BDA0002839554290000041
其中，λ为空气纤芯4内部传输THz波长，n1，n0分别为光纤材料环烯烃共聚物以及空气的折射率，m为共振阶数(整数)，本实施例中a为0.078mm，用于传输2.5THz波；管状外包层1的厚度T为0.5mm；二氧化钒薄膜厚度为1μm。调制激光源为飞秒脉冲激光器，光通量不小于100μJ/cm2。
本实施例中所使用的反谐振光纤用于2.5THz波的传输，在空芯薄壁管2内壁沉积二氧化钒薄膜后，通过控制脉冲激光的通断来实现THz波的偏振调控。图3为无脉冲激光辐照时沉积二氧化钒薄膜的反谐振光纤的场强分布图，此时二氧化钒薄膜为介质相，没有产生偏振现象且低损耗传输。在脉冲激光6，7关闭，8，9打开时会使入射THz波5变为y方向偏振光，图4、图5分别为此时x，y偏振方向折射率以及损耗随光通量的变化，可见在光通量很小如100μJ/cm2时，两偏振方向的折射率以及损耗几乎无差别。
随着光通量的增加，x，y两偏振方向的折射率差(双折射系数B)越来越大，光通量为700μJ/cm2时，双折射系数B达到最大值10-4。同时，随着光通量的增加，x，y偏振方向损耗均有所增加，但是y偏振方向的损耗远小于x偏振方向，在光通量为700μJ/cm2时，两者损耗差达到最大。图6中的(a)、(b)分别为此时y与x偏振方向的场强分布图，实现了y偏振方向的偏振光传输。图7中的(a)、(b)分别为脉冲激光6，7打开，8，9关闭时x与y偏振方向的场强分布图，此时实现了x偏振方向的偏振光传输。
本发明实施例涉及的THz反谐振光纤偏振调控器通过控制脉冲调制激光源的通断使二氧化钒薄膜发生最快ps量级的相变从而达到高速偏振调控。在偏振态时双折射系数B可达10-4量级，在实现高速波导偏振调控器件的同时补充了反谐振光纤在偏振调控器件方面的空缺。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，其特征在于，所述调控器包括：反谐振光纤、二氧化钒薄膜和脉冲调制激光源；
所述反谐振光纤由空气纤芯、空芯薄壁管和管状外包层组成，所述管状外包层的内壁均匀分布所述空芯薄壁管；所述空芯薄壁管彼此之间无接触形成无节点式结构，所述空芯薄壁管环绕于所述空气纤芯周围作为内包层；所述二氧化钒薄膜沉积于所述空芯薄壁管内壁；
所述脉冲调制激光源通过耦合进入所述空芯薄壁管内，激励所述二氧化钒薄膜发生相变，使空气纤芯中的太赫兹波发生偏振；控制不同空芯薄壁管内脉冲激光的通断与强度，实现对太赫兹波的偏振状态进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，其特征在于，所述反谐振光纤内设有四个空芯薄壁管。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，其特征在于，所述反谐振光纤的材料为环烯烃共聚物。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，其特征在于，所述空芯薄壁管截面为圆形，所述空芯薄壁管厚度满足太赫兹波的反谐振周期。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，其特征在于，所述二氧化钒薄膜厚度为0.4μm-2μm。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，其特征在于，所述二氧化钒为纳米颗粒，经非极性硅烷功能化后，将其分散在己烷胶体中制成二氧化钒胶体，将所述二氧化钒胶体注入所述空芯薄壁管中，提高温度蒸发己烷，在空芯薄壁管内壁沉积一层二氧化钒薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹反谐振光纤偏振调控器，其特征在于，所述脉冲调制激光源为纳秒量级，调制激光源能量密度不小于100μJ/cm2。
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