CN113625389A - 线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤 - Google Patents

线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，整个光子晶体光纤包括两根分布于Y轴的金线，用于加大Y偏振方向偏振光的限制损耗以达到偏振滤波的作用。通过在光子晶体光纤中Y轴引入线缺陷排列的空气孔，使得光纤内沿X偏振方向和Y偏振方向传播的线偏振光之间的有效折射率之差变大，其限制损耗差也加大；通过在内层于Y轴方向引入金线，加大了Y偏振方向和X偏振方向的限制损耗之差，实现了对X偏振方向和Y偏振方向线偏振光的完全分束。本发明的有益效果是：能够较为容易的激发等离子体共振，且金的化学性质稳定，易于加工；通过在外层排列六角形空气孔阵列，使得基模式光被限制在纤芯区域，有利于光的传输。

Description

线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤。
背景技术
表面等离子体共振(SPR)是由p偏振光或横向磁波在金属-介质界面激发电子密度振荡的一种光学现象。与传统棱镜结构等基于棱镜的SPR传感器相比，基于光纤或光子晶体光纤(PCF)的SPR传感器具有体积小、集成度高、成本低等优点，在实时、遥感和分布式测量领域显示出巨大的潜力。
光子晶体光纤是一种设计开放性的光纤，可以通过设计它内部的微结构和材料组成来灵活控制光纤中传输的光波模式、光场分布以及光场面积。光子晶体光纤的柔性设计提供了独特的光学特性，空气孔的存在为插入功能材料提供了可能，可以调节其有效折射率。近年来，基于PCF的SPR单模单偏振滤波器得到了广泛的研究与应用。单模单偏振光子晶体光纤已经应用于波长调谐，高能激光器，偏振显像系统和其他应用。
然而，在实际应用中，由于不同偏振方向线偏振光的双折射难以提高，其限制损耗之差提升有限难以实现不同偏振方向偏振光的完全分束。设计一种线缺陷排列空气孔和金线引入成为提高限制损耗之差的最有效方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，通过在光子晶体光纤中Y轴引入线缺陷排列的空气孔，使得光纤内沿X偏振方向和Y偏振方向传播的线偏振光之间的有效折射率之差变大，其限制损耗差也加大；通过在内层的Y轴方向引入金线，进一步加大Y偏振方向和X偏振方向的限制损耗之差，实现了在工作波段对X偏振方向和Y偏振方向线偏振光的完全分束和滤波。该单模单偏振光子晶体光纤包括光子晶体光纤和金线，在光子晶体光纤中设置线缺陷排列的空气孔，空气孔和金线均沿光子晶体光纤截面的Y轴方向设置，且关于截面圆心对称分布，所述空气孔包括外层空气孔和内层空气孔；
所述内层空气孔、外层空气孔和金线均轴向贯穿光子晶体光纤，金线位于外层空气孔和内层空气孔内侧，内层空气孔位于金线外侧和外层空气孔内侧。该单模单偏振光子晶体光纤可实现对X偏振方向线偏振光和Y偏振方向线偏振光的完全分离。
进一步地，所述内层空气孔的孔径大于所述外层空气孔的孔径。
进一步地，所述光子晶体光纤为D型光子晶体光纤，和/或，该光子晶体光纤的直径为20μm。
进一步地，相邻外层空气孔间的最小距离为1.5μm。
进一步地，多个所述外层空气孔、多个所述内层空气孔和多个金线分别关于所述光子晶体光纤的中心轴面对称设置。
进一步地，所述外层空气孔的数量为76，和/或，所述外层空气孔的孔径为1μm。
进一步地，所述内层空气孔的数量为2，和/或，所述内层空气孔的孔径为2.5μm。
进一步地，所述金线的数量为2，和/或，所述金线的直径为0.4μm。
进一步地，所述光子晶体光纤由二氧化硅材料制成。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：由于金具有很高的灵敏度，能够较为容易的激发等离子体共振，且金的化学性质稳定，易于加工；通过在外层排列六角形空气孔阵列，使得基模式光被限制在纤芯区域，有利于光的传输。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤的结构图。
图2是本发明实施例中在波长范围400nm到1600nm内Y偏振模有效折射率、X偏振模有效折射率、等离子体激发模有效折射率、一阶激发模有效折射率、二阶激发模有效折射率与波长的关系曲线。
图3是本发明实施例中在波长范围400nm到1600nm内Y偏振模限制损耗、X偏振模限制损耗与波长的关系曲线。
图中标记说明如下：
1、光子晶体光纤；2、金线；31、外层空气孔；32、内层空气孔。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，可用于单模单偏振滤波器。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤的结构图，包括光子晶体光纤1和沿所述单模单偏振光子晶体光纤1轴向贯穿的金线2，光子晶体光纤1包层设有多个沿所述光子晶体光纤1轴向贯穿其的空气孔，即在光子晶体光纤1中Y轴设置线缺陷排列的空气孔，在光子晶体光纤1内层的Y轴方向设置金线2，所述空气孔包括多个外层空气孔31和多个内层空气孔32，其中外层空气孔31的孔径为1μm，外层空气孔31的数量为76个，内层空气孔32孔径为2.5μm，内层空气孔32数量为2个；金线2直径为0.4μm，金线2位于内层空气孔32和外层空气孔31的内侧，金线2位于光子晶体光纤Y轴向上2.45μm处，两金线2关于光子晶体光纤1纤芯处对称分布。
其中多个外层空气孔31、多个内层空气孔32分别关于光子晶体光纤1的Y轴对称分布，内层空气孔32位于金线2外侧，外层空气孔31位于内层空气孔32的外侧；光子晶体光纤的直径为20μm；外层空气孔31与内层空气孔32的最小间距为1.5μm，每个外层空气孔31之间的最小间距为1.5μm，即相邻外层空气孔31间的最小间距为1.5μm；光子晶体光纤1的材料为二氧化硅。
采用波长调制法，波长的变化范围为400nm～1600nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)，基于COMSOL Multiphysics计算软件对上述所设计的实验模型进行模式分析，求解模场的有效折射率，然后根据波的限制损耗公式
Figure BDA0003173756470000031
计算出限制损耗，其中，λ表示波长，neff表示光纤模式的有效折射率，Im(neff)是取光纤模式有效折射率的虚部。
图2为X偏振模有效折射率、Y偏振模折射率、等离子体激发模有效折射率、一阶激发模有效折射率、二阶激发模有效折射率分别与波长的对应曲线，由图2知，在954nm波长处，二阶激发模有效折射率与Y偏振模有效折射率曲线发生交汇，在此处Y偏振模有效折射率曲线发生突变，这说明在954nm波长处二阶激发模的有效折射率与Y偏振模的有效折射率相等，此时Y偏振模最大程度地耦合到金线表面，激发了强烈的等离子体激发模，导致了在954nm波长处Y偏振模限制损耗出现了极大地增强，达到一个峰值，而此处二阶激发模有效折射率没有与X偏振模有效折射率交汇，且X偏振模有效折射率没有发生突变，因此此处的X偏振模限制损耗维持在较低的水平。由图2可知，在1238nm波长处X偏振模有效折射率与一阶激发模有效折射率发生交汇，在此处X偏振模有效折射率发生突变，这说明在1238nm波长处一阶激发模的有效折射率与X偏振模有效折射率相等，此时X偏振模最大程度的耦合到金线表面，激发了强烈的等离子体激发模，导致了在1238nm波长处X偏振模限制损耗出现了极大地增强，达到峰值，而此处一阶激发模有效折射率与Y偏振模有效折射率没有交汇，且Y偏振模的有效折射率没有发生突变，因此此处的Y偏振模维持在一个较低的水平。
图3为X偏振模限制损耗、Y偏振模限制损耗与波长的对应曲线，由图3可知，在954nm波长处Y偏振模限制损耗达到峰值，其数值为1450.19dB/cm，在954nm波长处X偏振模限制损耗为37.87dB/cm，Y偏振模限制损耗与X偏振模限制损耗差值为1412.32dB/cm，说明在954nm波长处，X偏振模与Y偏振模实现了完全分离，其限制损耗差值远大于20dB/cm，其偏振效果优于同类任意一种光子晶体光纤。由图3可知，在1238nm波长处，X偏振模限制损耗达到峰值，其数值为714dB/cm，在1238nm波长处Y偏振模限制损耗为57.95dB/cm，X偏振模限制损耗与Y偏振模限制损耗差值为656.05dB/cm，其限制损耗差值远大于20dB/cm，可以认为实现了对X偏振模和Y偏振模的完全分离。
本发明的有益效果是：能够较为容易的激发等离子体共振，且金的化学性质稳定，易于加工；通过在外层排列六角形空气孔阵列，使得基模式光被限制在纤芯区域，有利于光的传输。
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 (10)

1.一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：包括光子晶体光纤(1)和金线(2)，在光子晶体光纤(1)中设置线缺陷排列的空气孔，空气孔和金线(2)均沿光子晶体光纤(1)截面的Y轴方向设置，且关于截面圆心对称分布，所述空气孔包括外层空气孔(31)和内层空气孔(32)；所述内层空气孔(32)、外层空气孔(31)和金线(2)均轴向贯穿光子晶体光纤(1)，金线(2)位于外层空气孔(31)和内层空气孔(32)内侧，内层空气孔(32)位于金线(2)外侧和外层空气孔(31)内侧。
2.如权利要求1所述的一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述金线(2)位于光子晶体光纤(1)Y轴向上2.45μm处，多个金线(2)关于光子晶体光纤(1)纤芯处对称分布。
3.如权利要求1所述的一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述内层空气孔(32)的孔径大于所述外层空气孔(31)的孔径。
4.如权利要求1所述的一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述光子晶体光纤(1)为D型光子晶体光纤，和/或，该光子晶体光纤(1)的直径为20μm。
5.如权利要求1所述的一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：相邻外层空气孔(31)间的最小距离为1.5μm。
6.如权利要求1所述的一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：多个所述外层空气孔(31)、多个所述内层空气孔(32)和多个金线(2)分别关于所述光子晶体光纤(1)的中心轴面对称设置。
7.如权利要求1所述的一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述外层空气孔(31)的数量为76，和/或，所述外层空气孔(31)的孔径为1μm。
8.如权利要求1所述的一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述内层空气孔(32)的数量为2，和/或，所述内层空气孔(32)的孔径为2.5μm。
9.如权利要求1所述的一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述金线(2)的数量为2，和/或，所述金线(2)的直径为0.4μm。
10.如权利要求1所述的一种线缺陷排列空气孔和金线引入的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述光子晶体光纤(1)由二氧化硅材料制成。
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