CN114114546A - 基于混合等离激元波导结构的全光纤型偏振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于混合等离激元波导结构的全光纤型偏振器，所述偏振器包括：第一单模光纤段、第二单模光纤段和偏振态调制光纤段；光束从第一单模光纤段输入，并经偏振态调制光纤段后从第二单模光纤段输出；偏振态调制光纤段的外表面覆有沿纤芯的周向相间隔地排布纤芯的轴向上延伸的第一金属膜层和第二金属膜层，偏振态调制光纤段的包层厚度小于单模光纤段的包层厚度，第一金属膜层和第二金属膜层关于偏振态调制光纤段的中心轴对称，偏振态调制光纤段作为混合等离激元波导结构吸收偏振方向为第一方向的光，输出偏振方向为与第一方向垂直的第二方向的光。本发明的光纤偏振器结构简单、紧凑，能在毫米量级尺度上具有高偏振消光比并实现更低的插入损耗。
Description
技术领域
本发明涉及偏振光学技术领域，尤其涉及一种基于混合等离激元波导结构的全光纤型偏振器。
背景技术
光纤中传输光波的偏振管理和控制对于构建光纤通信系统、偏振调制型光纤传感器和偏振相关型光纤激光器等都具有极其重要的应用价值。传统的光学偏振器主要包括基于各向异性吸收特性的薄膜型偏振器、基于双折射效应的棱镜型偏振器和基于布儒斯特反射特性的偏振器。尽管偏振选择机理不同，这些类型的偏振器都是体型器件，并不适合光纤传输系统中的光波偏振态调制。为此，研制具有高偏振消光比和低插入损耗的全光纤型偏振器一直是无源光纤器件和偏振光学技术领域的研究热点。
早在上世纪八十年代就提出的单偏振光纤，由于只能传输单个偏振模，具有较高偏振消光比，可以作为光纤偏振器使用。到目前为止，各种基于应力施加型高双折射光纤、高双折射光子晶体光纤和空气孔辅助纤芯高双折射光纤的单偏振光纤相继出现，并且在提高偏振消光比和拓展单偏振带宽方面取得了重要进展。但是，具有高偏振消光比的单偏振光纤使用长度通常在米量级，并不适合应用于结构紧凑的集成光子回路系统，而且单偏振光纤的模场大多呈非圆对称分布，不利于与具有圆对称模场分布的常规单模光纤进行高效耦合。利用金属膜的表面等离激元激发所引起的偏振选择性吸收效应，已有研究人员成功研制了尺寸为毫米量级的高消光比光纤偏振器，请见参考文献1-3。
现有的基于金属薄膜偏振选择性吸收效应的光纤偏振器存在光纤与金属薄膜不成一体导致的结构不紧凑和健壮的问题，以及使用D型高双折射等特种光纤而带来的波导结构复杂和制作成本高的问题。因此，提出一种结构简单、紧凑且制作成本低的光纤与金属薄膜成一体的光纤偏振器是一个有待解决的技术问题。
参考文献列表：
文献1：C.H.Dong等，“In-line high efficient fiber polarizerbased onsurface plasmon,”AppliedPhysics Letters,vol.100,041104,2012；
文献2：Y.Ma等，“Optical microfiber-loaded surface plasmonic TE-passpolarizer,”Optics&LaserTecchnology,vol.78,101-105,2016；
文献3：X.Wang等，“Polarization selectivity ofthe thin-metal-filmplasmon-assisted fiber-optic polarizer,”ACSApplied Materials&Interfaces,vol.12,32189-32196,2020。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于混合等离激元波导结构的全光纤型偏振器，以消除或改善现有技术中存在的基于金属薄膜偏振选择吸收效应的光纤偏振器结构不紧凑和健壮的问题，以及制作难度大、成本高、无法和常规单模光纤高效耦合的问题。
本发明的一个方面提供了一种基于混合等离激元波导结构的全光纤型偏振器，该全光纤型偏振器包括：第一单模光纤段、第二单模光纤段和偏振态调制光纤段；
所述第一单模光纤段位于所述偏振态调制光纤段的一端,所述第二单模光纤段位于所述偏振态调制光纤段的另一端，光束从所述第一单模光纤段输入，并经所述偏振态调制光纤段后从所述第二单模光纤段输出；
所述偏振态调制光纤段的外表面覆有沿纤芯的周向相间隔地排布并在纤芯的轴向上延伸的第一金属膜层和第二金属膜层，所述偏振态调制光纤段的包层厚度在预设厚度范围内且小于第一单模光纤段和第二单模光纤段的包层厚度，或者所述偏振态调制光纤段不具有包层；
所述第一金属膜层和第二金属膜层关于偏振态调制光纤段的中心轴对称，所述偏振态调制光纤段作为混合等离激元波导结构吸收偏振方向为第一方向的光，使得所述全光纤型偏振器输出偏振方向为第二方向的光，所述第一方向和第二方向垂直。
在本发明的一些实施例中，所述偏振器的第一单模光纤段、第二单模光纤段和偏振态调制光纤段为一体化设计。
在本发明的一些实施例中，所述第一金属膜层和第二金属膜层在偏振态调制光纤段的周向上的弧度在π/18-π/2之间。
在本发明的一些实施例中，所述偏振器的偏振消光比满足以下公式：
其中，PER表示全光纤型偏振器的偏振消光比，Px和Py分别表示x偏振模光束和y偏振模光束的功率；
和
分别表示x偏振模光束和y偏振模光束的复有效折射率的虚部，Lm为所述偏振态调制光纤段的长度。
在本发明的一些实施例中，所述第一金属膜层和第二金属膜层的厚度在30-200nm之间。
在本发明的一些实施例中，所述偏振态调制光纤段的包层的预设厚度为0μm-4μm。
在本发明的一些实施例中，所述偏振器的偏振态调制光纤段的长度在1mm-5mm之间。
在本发明的一些实施例中，所述偏振态调制光纤的纤芯直径范围在6-10μm之间。
在本发明的一些实施例中，所述第一金属膜层和第二金属膜层为金膜、银膜、铝膜或铬膜。
在本发明的一些实施例中，所述偏振态调制光纤段是通过以下工艺得到的：使用化学腐蚀的方法减小包层厚度并采用磁控溅射或蒸发镀膜方法涂覆金属膜层。
本发明的基于混合等离激元波导结构的全光纤型偏振器，能够提供一种低成本的结构简单且紧凑的全光纤型偏振器，且全光纤型偏振器的两端都是常规单模光纤，有利于与单模光纤进行高效耦合。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
图1为本发明一实施例中全光纤型偏振器三维结构示意图及其横截面结构示意图。
图2为本发明一实施例中涂覆金膜的光纤偏振器中偏振模在1550nm波长处的模场分布图。
图3为本发明一实施例中不同金膜厚度下，光纤偏振器的偏振消光比与张角的关系。
图4为本发明一实施例中不同金膜厚度下，光纤偏振器的插入损耗与张角的关系。
图5为本发明一实施例中涂覆金膜的光纤偏振器偏振消光比和插入损耗随波长的变化关系
图6为本发明一实施例中不同铝膜厚度下，光纤偏振器的偏振消光比与张角的关系。
图7为本发明一实施例中不同铝膜厚度下，光纤偏振器的插入损耗与张角的关系。
图8为本发明一实施例中涂覆铝膜的光纤偏振器偏振消光比和插入损耗随波长的变化关系。
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明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
为了解决现有技术中存在的一个或多个问题，本发明提供了一种结构简单、紧凑，并且具有高偏振消光比和低插入损耗的低成本全光纤型偏振器结构。
为获得具有高偏振消光比和低插入损耗的全光纤型偏振器，本发明利用一整段光纤，通过将光纤中间部分光纤包层的厚度减薄而形成三段式结构，并在减薄的区域的纤芯的周向上相间隔地形成在纤芯轴向上延伸的第一金属膜层和第二金属膜层，三段式结构中形成有第一金属膜层和第二金属膜层的区域称为偏振态调制区，该区域能够有效激发表面等离激元，该区域的金属膜层与中间的光纤部分形成混合等离激元波导结构。
为方便理解本发明的偏振器结构，结合图1对本发明结构进行说明：如图1所示为本发明全光纤型偏振器的三维结构示意图及其偏振态调制光纤段的横截面结构示意图，全光纤型偏振器呈三段式结构，即图1中第一单模光纤段(或称第一单模光纤区)A、偏振态调制光纤段(或称偏振态调制区，涂覆的金属膜层相对于y轴方向呈轴对称性地分布在包层两侧表面，)B和第二单模光纤段(或称第二单模光纤区)C三段，第一单模光纤段A位于偏振态调制光纤段B的一端，第二单模光纤段C位于偏振态调制光纤段B的另一端，两端的第一单模光纤段A和第二单模光纤段B可由常规单模光纤构成，作为输入端和输出端尾纤；光束从第一单模光纤段A输入，经偏振态调制光纤段B后从第二单模光纤段C输出；偏振态调制光纤段B用于起偏，即调制光纤中光束的偏振态，图1下方部分为偏振态调制光纤段横截面结构示意图，图中10为涂覆的金属膜层，两部分金属膜层(第一金属膜层和第二金属膜层)10覆于偏振态调制光纤段B的外部，30为偏振态调制光纤段的纤芯，20为偏振态调制光纤段纤芯的包层。光纤纤芯30的直径Dcore的范围通常在6-10μm之间，包层20的厚度Tclad的优选取值在0-4μm之间取值，当Tclad为0时，表示金属膜层直接涂覆在光纤纤芯表面，此时偏振态调制光纤段B无包层。偏振态调制光纤段B涂覆的第一金属膜层和第二金属膜层的厚度Tmetal的优选取值范围为30-200nm，两金属膜层10在偏振态调制光纤段的外表面周向相间隔的排布并在纤芯的轴向上延伸，且涂覆的金属膜层关于偏振态调制光纤段的中心轴对称。如图1所示的示例中，偏振态调制区B涂覆的左侧金属膜层10和右侧金属膜层10形状相同，两金属膜层10在偏振态调制光纤段横截面上相对于竖直轴(y轴)方向呈轴对称性地分布在包层两侧表面，每一侧的金属膜在偏振态调制光纤段横截面上均相对于水平轴(x轴)呈轴对称，如上膜层的布置方式仅为示例，本发明并不限于此。两金属膜层10沿偏振态调制光纤段B的周向上的长度取决于所对应的张角α的大小，张角α被x轴平分且张角α的优选取值为10-90°之间，更优选为10-60°，但本发明并不限于此。金属膜层10沿偏振态调制光纤段B轴向方向的长度Lm优选与偏振态调制光纤段B的长度相同且长度Lm的范围在1mm-5mm之间。金属膜层的金属材料可以是金、银、铝或铬等可以激发表面等离激元的金属。在本发明的一实施例中，涂覆金属膜层的方法为采用磁控溅射或蒸发镀膜方法。下文中为方便描述以及作光纤偏振器的性能对比，调整张角α即表示选用涂覆有面积不同的金属膜层的偏振态调制光纤段B，每个金属膜层10的涂覆面积为张角α所对弧长与Lm的乘积。
本发明的如图1所示的全光纤型偏振器结构，通过在常规光纤包层表面有选择性地涂覆金属膜层，打破了常规光纤具有圆柱体波导结构的圆对称性，导致光纤中两个正交偏振模光束的电场边界条件产生差异。这种常规光纤结构变化引起的电场边界差异产生两种效果：一是将两个正交偏振模光束间的模式双折射提高到足以区分两个正交偏振模式(如提高到10-4量级以上)；二是偏振方向沿x轴的纤芯模(在下文中为方便描述，称为x偏振模)存在大量垂直于金属膜层的电场分量，能够有效激发金属膜层靠近光纤包层的表面等离激元，导致x偏振模因能量耦合到金属膜层表面等离激元而在全光纤型偏振器中传播过程中产生较大的吸收损耗，也即偏振态调制光纤段吸收偏振方向为x方向(第一方向)的光，前述对偏振态调制区光纤进行化学腐蚀去除部分光纤包层的目的是增强纤芯模光场与金属膜层的相互作用强度，也即增大x偏振模光束的吸收损耗。而与之正交的另一纤芯模(在下文中为方便描述，称其为y偏振模)由于在垂直于金属层方向上很少存在电场分量，尤其是当张角α较小(即涂覆的金属膜层周向长度较小时)y偏振模的电场分量更少，因此激发金属膜层表面等离激元而产生的吸收损耗很小，故两个正交偏振模之间产生了巨大的传输损耗差异，表现为x偏振模被抑制，而y偏振模则可以保持低损耗传输，也即偏振态调制光纤段输出偏振方向为y方向(第二方向)的光，从而实现全光纤型偏振器的光纤在线起偏。
为了增强纤芯模光场与金属膜层的相互作用强度，应尽量减小包层厚度Tclad，因此本发明实施例在涂覆金属膜前先去除部分光纤包层，例如通过化学腐蚀的方法去除部分光纤包层。
本发明的全光纤型偏振器的偏振消光比和插入损耗大小依赖于偏振态调制光纤段外周所涂覆金属膜的材料特性和全光纤型偏振器的结构参数，例如金属膜层的金属种类、金属膜层的厚度Tmetal、金属膜层沿偏振态调制光纤段的轴向的长度Lm和金属膜层的面积以及光纤的包层厚度Tclad等参数。通过合理地设置这些参数，本发明的具有如上结构的全光纤型偏振器能够具有高偏振消光比和低插入损耗。
本发明实施例中可依对全光纤型偏振器性能需要对偏振态调制区的长度进行调整。本发明通过在偏振态调制区内的光纤表面再进行涂覆金属膜层得到全光纤型偏振器，故本发明的为一体化设计，涂覆金属膜层后的偏振调制区内的光纤段称为偏振态调制光纤段。涂覆金属膜层时沿偏振态调制区内的光纤的周向相间隔的涂覆两块形状相同的金属膜层，且涂覆的金属膜层关于偏振态调制光纤段的中心轴对称。涂覆的金属膜层沿偏振态调制光纤段轴向的长度与偏振态调制区的长度相同，因偏振态调制光纤段的包层厚度减小，故偏振态调制光纤段的包层厚度小于相邻的未进行化学腐蚀的光纤的包层厚度。
本发明实施例所提出的全光纤型偏振器的性能参数主要有偏振消光比(Polarization Extinction Ratio,PER)和插入损耗(Insert Loss,IL)，其满足以下公式：
其中，Px和Py分别表示x偏振模光束和y偏振模光束的功率；
和
分别表示x偏振模光束和y偏振模光束的复有效折射率的虚部；
和
分别表示y偏振模光束的输入和输出功率；λ表示偏振器中传播的光束在真空中的工作波长。由公式(1)和(2)看出，光纤偏振器的PER和IL都与偏振态调制区长度Lm有关。为了性能比较时的方便，在下文中均采用金属膜层沿光纤轴向长度为单位长度即Lm＝1mm时的全光纤型偏振器的PER和IL来表征光纤偏振器性能。本发明中采用的单模光纤为SMF-28e单模光纤，其结构参数如下：纤芯直径Dcore＝8.2μm，纤芯和包层折射率分别为1.455和1.45，但本发明并不限于此，可选择其他尺寸类型的单模光纤。
在本发明一实施例中，全光纤型偏振器的结构参数为：包层厚度Tclad＝2μm，金属膜层厚度为Tmetal＝100nm，张角α＝30°且金属膜层的金属材料是金。如图2所示，图2(a)为x偏振模光束在波长为1550nm的模场分布图，图2(b)为y偏振模光束在波长为1550nm的模场分布图。由图2中(a)可见，由于x偏振模光束与金属膜层发生相互作用在金属膜层的表面激发表面等离激元，导致偏振态调制光纤段的纤芯内的部分光场能量向金膜层的表面耦合扩散，表现为x偏振模的传输损耗升高。与之相比，图2的(b)中y偏振模的模场分布几乎不受金属膜影响，因此始终被很好地约束在偏振态调制光纤段的纤芯中保持低损耗传输，并且由于y偏振模光束的模场呈现圆对称性分布，更易于与常规光纤中的纤芯模实现高效匹配耦合。
在本发明一实施例中，保持为包层厚度Tclad＝2μm时，研究使用金膜层的全光纤型偏振器的偏振消光比性能参数。如图3所示，由图可见，随着金膜层厚度增大，达到在该金膜层厚度下的最大偏振消光比时所要求的α角度值也相应增大，但是所能达到的最大偏振消光比值却相应降低。以偏振消光比不低于10dB/mm为参考标准，当Tmetal＝50nm时α取值需处于7-21°范围内，偏振消光比在α＝12°处达到最大值约为37.3dB/mm；Tmetal＝100nm时α取值需处于17-31°范围内，偏振消光比在α＝22°处达到最大值约为18.7dB/mm；Tmetal＝200nm时α取值需处于35-67°范围内，偏振消光比在α＝47°处达到最大值约为13.6dB/mm。因此，本发明所能实现的最大偏振消光比值已超出现有文献[2]报道的相同波段所能实现的最高值。
在本发明一实施例中，保持为包层厚度Tclad＝2μm不变时，研究使用金膜层的全光纤型偏振器的插入损耗性能参数随张角α的变化关系曲线。如图4所示，由图可见，在保证偏振消光比不低于10dB/mm的α角度范围内时，也即：Tmetal为50时，α为7-21；Tmetal l为100时，α为17-31；Tmetal为200时，α为35-67，Tmetal＝50nm时的插入损耗在10-2dB/mm量级，Tmetal＝100nm时的插入损耗在10-3dB/mm量级，而Tmetal＝200nm时的插入损耗随着角度的增大，逐渐从10-2dB/mm量级提高到了10-1dB/mm量级。与现有文献[2]报道的相同波段的光纤偏振器插入损耗相比，通过优化金膜厚度和张角α大小，本发明所实现的最小插入损耗(10-3dB/mm量级)能够降低近3个数量级。
在本发明一实施例中，全光纤型偏振器的结构参数为包层厚度Tclad＝2μm，金膜层厚度Tmetal＝100nm，张角α＝22°时，对全光纤型偏振器的偏振消光比和插入损耗随波长的变化关系进行研究并得到曲线如图5所示。在本实施例中考虑了金的材料色散，其在不同波长处的折射率取值来源于现有文献(D.I.Yakubovsky,A.V.Arsenin,Y.V.Stebunov,D.Y.Fedyanin,and V.S.Volkov,“Optical constants and structural properties ofthin gold films,”Optics Express,vol.25(21),25574-25587,2017)。由图5可见，全光纤型偏振器中传输的光的波长在1530-1625nm范围内时，该全光纤型偏振器的偏振消光比均大于10dB/mm，在全光纤型偏振器中传播的光束的波长为1625nm时全光纤型偏振器的偏振消光比达到最小值，最小值约为10.6dB/mm，在全光纤型偏振器中传播的光束的波长为1540nm时全光纤型偏振器的偏振消光比达到最大值，最大值可达19.4dB/mm，在本实施例中偏振态调制光纤段的长度Lm＝1mm，由式(1)可知，当偏振态调制光纤段的长度Lm＝3mm时，本实施例的全光纤型偏振器总的偏振消光比将不低于30dB。同时，在整个1530-1625nm波段范围内，全光纤型偏振器插入损耗虽然随着波长红移而增大，但是均小于0.01dB/mm，在全光纤型偏振器中传播的光束的波长为1625nm时全光纤型偏振器的插入损耗达到最大值，最大值约为9.2×10-3dB/mm。由此可见，本实施例中所提出的涂覆金膜的全光纤型偏振器能够在1530-1625nm波段的较宽工作波长范围内既能保持高偏振消光比，又具有低插入损耗特性。
在本发明一实施例中，保持为包层厚度Tclad＝2μm时，研究使用铝膜层的全光纤型偏振器的偏振消光比性能参数。相较于金等贵金属，本发明使用铝膜层亦可实现起偏的功能，有利于进一步降低器件成本。图6所示为Tclad＝2μm时不同铝膜厚度下的全光纤型偏振器工作在波长1550nm处时的偏振消光比随张角α的变化关系曲线，其中铝膜的复折射率在1550nm处取1.579+15.658i。与涂覆金膜的全光纤型偏振器偏振消光比随角度的变化关系不同，相较于涂覆金膜的全光纤型偏振器，本实施例中的涂覆铝膜层的全光纤型偏振器的偏振消光比达到最大值时所要求的α角度值均明显增大。在本实施例中，随着铝膜层厚度增加，所能达到的最大偏振消光比值相对于金膜层的全光纤型偏振器有所降低。以偏振消光比不低于10dB/mm为参考标准，Tmetal＝40nm时α取值需处于33-90°范围内，偏振消光比在α＝70°处达到最大值，最大值约为23.3dB/mm；Tmetal＝50nm时α取值需处于37-90°范围内，偏振消光比在α＝80°处达到最大值，最大值约为21dB/mm；Tmetal＝100nm时α取值需处于55-90°范围内，偏振消光比在α＝90°处达到最大值，最大值约为13.7dB/mm。然而，涂覆铝膜层的光纤偏振器的偏振消光比达到最大值时，由于所要求的α值较大，因此伴随着插入损耗的增大。
在本发明一实施例中，保持为包层厚度Tclad＝2μm时，研究使用铝膜层的全光纤型偏振器的插入损耗性能参数。前述可知，在Tmetal＝40nm时偏振消光比在张角α＝70°处达到最大值，在Tmetal＝50nm时偏振消光比在张角α＝80°处达到最大值，在Tmetal＝100nm时偏振消光比在张角α＝90°处达到最大值，由图7所示损耗曲线可知，当Tmetal＝40nm，50nm，100nm时，偏振消光比达到最大值时所对应张角α的不同厚度金属膜层对应的全光纤型偏振器插入损耗依次分别为0.89dB/mm，1.68dB/mm和1.77dB/mm，比涂覆相同厚度金膜时的插入损耗值提高了约2到3个数量级。因此，若兼顾高偏振消光比和低插入损耗性能指标，涂覆铝膜层的光纤偏振器的偏振消光比实际上小于如图6所示的偏振消光比的最大值。以插入损耗不高于0.1dB/mm为参考标准，当Tmetal＝40nm，50nm，100nm时，全光纤型偏振器工作在1550nm处的偏振消光比所能达到的最大值依次分别约为19dB/mm，16dB/mm和10dB/mm。由此可见，通过优化铝膜结构参数，本发明所提出的涂覆铝层的全光纤型偏振器偏振消光比和插入损耗指标均优于文献[2]报道的相同波段的涂覆银层的光纤偏振器。
在本发明一实施例中，全光纤型偏振器的结构参数为包层厚度Tclad＝2μm，铝膜层厚度Tmetal＝40nm，张角α＝45°时，对全光纤型偏振器的偏振消光比和插入损耗随波长的变化关系进行研究并得到曲线如图8所示。这里考虑了铝的材料色散，其在不同波长处的折射率取值来源于文献(A.D.
“Algorithm for the determination of intrinsicoptical constants of metal films:application to aluminum,”Applied Optics,vol.34(22),4755-4767,1995)。由图8可见，全光纤型偏振器中传输的光的波长在1530-1625nm范围内时，该结构光纤偏振器的偏振消光比均大于10dB/mm，在全光纤型偏振器中传播的光束的波长为1625nm时全光纤型偏振器的偏振消光比达到最小值，最小值约为12.7dB/mm，在全光纤型偏振器中传播的光束的波长为1530nm时全光纤型偏振器的偏振消光比达到最大值，最大值可达18dB/mm。在本实施例中偏振态调制光纤段的长度Lm＝1mm，由式(1)可知，当偏振态调制光纤段的长度Lm＝3mm时，本实施例的全光纤型偏振器总的偏振消光比将不低于不低于38dB。同时，在整个1530-1625nm波段范围内，插入损耗随着波长红移而减小，但是均小于0.05dB/mm。由此可见，本实施例中所提出的涂覆铝膜的全光纤型偏振器能够在1530-1625nm波段的较宽工作波长范围内既能保持高偏振消光比，又具有低插入损耗特性。
本发明解决了目前已有的金属薄膜偏振选择性吸收效应的光纤偏振器存在的光纤与金属膜层不成一体导致的偏振器的结构不紧凑和健壮的问题以及其波导结构复杂，制作成本高的问题。本发明采用化学腐蚀的方法去除单模光纤中一段预定长度单模光纤的部分包层，并在单模光纤中被除去部分包层的这段单模光纤上沿光纤轴向方向的两侧对称涂覆金属膜层的方法获得基于混合等离激元波导结构的全光纤型偏振器。该偏振器具有结构紧凑且简单，无需使用特殊结构的光纤例如D型光纤和高双折射保偏光纤等特征，而且是使用普通的单模光纤，本发明的偏振器降低了基于金属薄膜偏振选择性吸收效应结构的偏振器复杂性的同时降低了制作成本；且该偏振器在毫米量级尺度上具有高偏振消光比的同时，还实现了更低的插入损耗；并且具有偏振选择性吸收作用的金属膜层与光纤波导呈一体化结构设计，因此可以使器件结构更紧凑，更有利于实现器件的微型化。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。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)
1.一种基于混合等离激元波导结构的全光纤型偏振器，其特征在于，该全光纤型偏振器包括：第一单模光纤段、第二单模光纤段和偏振态调制光纤段；
所述第一单模光纤段位于所述偏振态调制光纤段的一端,所述第二单模光纤段位于所述偏振态调制光纤段的另一端，光束从所述第一单模光纤段输入，并经所述偏振态调制光纤段后从所述第二单模光纤段输出；
所述偏振态调制光纤段的外表面覆有沿纤芯的周向相间隔地排布并在纤芯的轴向上延伸的第一金属膜层和第二金属膜层，所述偏振态调制光纤段的包层厚度在预设厚度范围内且小于第一单模光纤段和第二单模光纤段的包层厚度，或者所述偏振态调制光纤段不具有包层；
所述第一金属膜层和第二金属膜层关于偏振态调制光纤段的中心轴对称，所述偏振态调制光纤段作为混合等离激元波导结构吸收偏振方向为第一方向的光，使得所述全光纤型偏振器输出偏振方向为第二方向的光，所述第一方向和第二方向垂直。
2.根据权利要求1所述的全光纤型偏振器，其特征在于，所述偏振器的第一单模光纤段、第二单模光纤段和偏振态调制光纤段为一体化设计。
3.根据权利要求1所述的全光纤型偏振器，其特征在于，所述第一金属膜层和第二金属膜层在偏振态调制光纤段的周向上的弧度在π/18-π/2之间。
4.根据权利要求1所述的全光纤型偏振器，其特征在于，所述偏振器的偏振消光比满足以下公式：
其中，PER表示全光纤型偏振器的偏振消光比，Px和Py分别表示x偏振模光束和y偏振模光束的功率；
和
分别表示x偏振模光束和y偏振模光束的复有效折射率的虚部，Lm为所述偏振态调制光纤段的长度。
5.根据权利要求1所述的全光纤型偏振器，其特征在于，所述第一金属膜层和第二金属膜层的厚度在30-200nm之间。
6.根据权利要求1所述的全光纤型偏振器，其特征在于，所述偏振态调制光纤段的包层的预设厚度为0μm-4μm。
7.根据权利要求1所述的全光纤型偏振器，其特征在于，所述偏振器的偏振态调制光纤段的长度在1mm-5mm之间。
8.根据权利要求1所述的全光纤型偏振器，其特征在于，所述偏振态调制光纤段的纤芯直径范围在6-10μm之间。
9.根据权利要求1所述的全光纤型偏振器，其特征在于，所述第一金属膜层和第二金属膜层为金膜、银膜、铝膜或铬膜。
10.根据权利要求1所述的全光纤型偏振器，其特征在于，所述偏振态调制光纤段是通过以下工艺得到的：
使用化学腐蚀的方法减小包层厚度并采用磁控溅射或蒸发镀膜方法涂覆金属膜层。
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