CN115327696B - 空芯反谐振光纤可调谐反射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空芯反谐振光纤可调谐反射器，包括反谐振负曲率空芯光纤、周期排列的超表面纳米结构阵列和柔性基底；其中，周期排列的超表面纳米结构阵列位于柔性基底上；柔性基底固定在反谐振负曲率空芯光纤的端面，使周期排列的超表面纳米结构阵列位于反谐振负曲率空芯光纤的端面，形成可调谐光纤反射器；在反谐振负曲率空芯光纤纤芯传播的光入射到超表面上时，超表面产生电偶极子共振，将目标波长反射；柔性基底受压强影响产生形变，进而使超表面纳米结构阵列的几何参数发生改变，实现谐振波长的动态调控。本发明通过超表面和反谐振负曲率空芯光纤的结合，不仅解决了反谐振负曲率空芯光纤反射器器难以集成的问题，还实现了反射波长的动态调控。

Description

空芯反谐振光纤可调谐反射器

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于柔性基底超表面的集成式空芯反谐振光纤可调谐反射器。

背景技术

随着信息容量的急剧增长，反谐振负曲率空芯光纤的应用越来越多。由于反谐振负曲率空芯光纤是在空气而非介质材料中传输光，与传统实心光纤相比，具有更宽的传输带宽、更低的色散和光学非线性、更高的激光损伤阈值。因此，反谐振空芯光纤在紫外、中红外乃至可见光等诸多波段，在大功率激光传输、光与气体相互作用、脉冲压缩、光纤传感和光纤通信等众多领域都具有重要的发展潜力。

但是反谐振空芯光纤在应用中存在一个关键问题，其空芯结构使其无法像实芯光纤一样，直接对纤芯材料进行折射率调制来制备各种光纤内光调制器件。例如，光纤中应用广泛的窄带反射器——光纤布拉格光栅(FBG)，便无法在反谐振光纤中通过常规的折射率调制方法实现。因此，需要开发独立的反谐振空芯光纤光学功能器件，来推动空芯反谐振光纤走向大规模应用，并推动空芯光纤光学系统的小型化、集成化。

发明内容

针对反谐振空芯光纤无法直接对其空气芯进行折射率调制从而形成光纤内调制器件的问题，本发明提供一种基于柔性基底超表面的集成式空芯反谐振光纤可调谐反射器。其目的在于，利用置于空芯光纤端面的柔性基底形状受气压调制的特点，通过对光纤端面施加气压，可以获得超表面纳米结构阵列几何参数受气压动态调制的超表面，从而可以实现利用反谐振光纤波长选择反射的动态调制。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明提出了一种基于柔性基底超表面的集成式空芯反谐振光纤可调谐反射器，光纤反射器包括周期性排列的超表面介质纳米结构阵列，柔性基底和反谐振负曲率空芯光纤三个部分；其中，反谐振空芯光纤作为超高传输能量、超大模场直径、超宽传输带宽的传输媒介，能实现紫外、中红外乃至可见光等诸多波段的应用。

周期性排列的超表面介质纳米结构阵列发生米氏散射，在反谐振负曲率空芯光纤中的光传输到超表面时，激发超表面内部电偶极子集体震荡，在电磁共振耦合中会激发准BIC模式，能够产生高Q值谐振峰，实现反射目标波长。柔性基底用于谐振峰的动态调控。通过选择合适的结构单元材料可以实现近红外到中红外范围内选择反射滤波。

进一步，反谐振负曲率空芯光纤包括空芯纤芯、光纤包层和玻璃壁。通过紫外胶将反谐振负曲率空芯光纤包层与柔性基底连接在一起。

进一步，超表面基底层为PDMS、PMMA等柔性材料，具有柔性、高透明性、可弯曲变形和化学稳定性。

进一步，超表面介质结构阵列的材料为高折射率低损耗的介质材料Si、Ge、PbTe等。

进一步，周期性排列的超表面介质纳米结构阵列，每个周期单元形状为四个相同直径的圆柱体，直径为R；每个周期单元的四个圆柱体的高度为h；周期单元的晶格常数分别为Px＝Py＝P；四个圆柱在原来的中心位置时的间距g＝P/2-R。为了给结构引入一定的不对称性，使P和R保持不变，改变圆柱体的位置，使g变为g′，这样周期性排列的超表面介质纳米结构阵列就会具有一定的不对称性，但又具有四重旋转对称和镜面对称，在电磁共振耦合中会激发准BIC模式，能够产生高Q值谐振峰，形成窄带反射峰并且极化不敏感。

通过设计不同超表面结构单元的几何参数和谐振单元的材料，可以不同波段范围的谐振峰，以来达到不同波段反射滤波的效果。其中，超表面结构单元材料的折射率越大，谐振波长越大。通过选择合适的几何参数和结构单元材料可以实现近红外到中红外范围内选择反射滤波。

周期性排列的超表面介质纳米结构阵列所产生的谐振峰因其对几何参数敏感，在反谐振负曲率空芯光纤端面气压改变时时，超表面柔性基底发生微弱变形，同时周期性排列的超表面介质纳米结构阵列的几何参数会发生不同程度的改变，影响了电磁共振耦合，最终对谐振波长形成动态调控。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

现有的光纤反射器不具有动态可调的效果，同时工作的波段也只在常规光纤的通信波段，将具有特殊结构的反谐振负曲率空芯光纤和超表面光学器件完美的结合起来，可以拓宽光纤光学功能器件的应用范围，如：紫外波段、可见光波段、中红外波段；同时还能实现不同波段的动态调控。这拓宽了反谐振空芯光纤光学系统中配套的光纤功能器件，提升了空芯光纤光学系统的小型化、集成化，对反谐振空芯光纤的发展和应用场景具有重要意义。

附图说明

图1是反谐振负曲率空芯光纤横截面示意图；

图2是基于柔性基底超表面的集成式空芯反谐振光纤可调谐反射器示意图；

图3是谐振单元的结构示意图；

图4是基于全介质超表面纳米结构阵列示意图；

图5是受到气压影响后超表面形变示意图；

图6是一种超表面反射图谱；

图7是超表面在不同形变率下的反射图谱。

图中：1-反谐振负曲率空芯光纤包层，2-紫外胶，3-柔性基底，4-超表面介质纳米结构阵列，5-反谐振负曲率空芯光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种基于柔性基底超表面的集成式空芯反谐振光纤可调谐反射器，反射器结构分为3部分：反谐振负曲率空芯光纤、周期性排列的超表面结构阵列和柔性基底。使用微纳加工技术在基底上制作出超表面结构阵列后，通过紫外胶将超表面结构阵列的柔性基底固定在反谐空芯光纤端面，使超表面结构阵列位于反谐振空芯光纤的端面，形成结构紧凑的反谐振负曲率空芯光纤波长动态可调反射器；光纤端面的柔性超表面基底受气压影响发生形变，直接影响周期性排列的超表面结构阵列的几何参数，从而改变超表面结构阵列的耦合效应，最后使谐振波长产生调制作用。本发明的基于柔性基底超表面的集成式空芯反谐振光纤可调谐反射器，通过超表面和反谐振负曲率空芯光纤的结合，不仅解决了反谐振负曲率空芯光纤反射器器难以集成的问题，还实现了反射波长的动态调控，相比于传统光纤反射器(FBG)工作波长范围局限，该结构具有结构简单、集成化、小型化，工作范围广的优点，在近红外，中红外光学传感，光纤激光器等领域具有广阔的应用前景。

如图1所示的反谐振负曲率空芯光纤，Rc为空芯纤芯的直径，Rb为包层管外直径，t为玻璃壁的壁厚。由于其反谐振传光的原理，能够实现高传输能量、超大模场直径、超宽传输带宽；选择合适结构参数的反谐振负曲率空芯光纤，可以使其在不同的波段工作，其于中红外波段应用最为广泛。

如图2所示，本发明的基于柔性基底超表面的集成式空芯反谐振光纤可调谐反射器，包括周期性排列的超表面介质纳米结构阵列4、柔性基底3和反谐振负曲率空芯光纤5三个部分；采用光学微纳加工技术将超表面制作在柔性基底3上，然后使用紫外胶2将反谐振负曲率空芯光纤包层1和柔性基底3结合，形成结构具有选择反射的光纤集成器件。其中介质柔性基底为PDMS，具有柔性、高透明性、可弯曲变形和化学稳定性。

由于反谐振负曲率空芯光纤的空芯结构，超表面柔性基底易因两侧气压不平衡而产生微小形变，最终使周期性排列的超表面介质纳米结构阵列的几何参数会发生不同程度的改变，影响了电磁共振耦合，最终对谐振波长形成动态调控。

如图3所示的超表面的结构单元，每个结构单元为四个相同直径的圆柱体，直径为R；四个圆柱体的高度都为H；单元结构的晶格常数分别为Px＝Py；四个圆柱在原来的中心位置时的间距g＝P/2-R。本发明使P和R保持不变，改变圆柱体的位置，例如将圆柱体向结构单元中心偏移，使g变为g′，这样周期性排列的超表面介质纳米结构阵列就会具有一定的不对称性，每个周期单元相邻的两个圆柱体的中心间距就会变为g′。

优选地，周期性排列的超表面结构阵列单元，每个周期结构单元形状为四个相同直径的圆柱体，直径R＝0.2um-1.5um；每个周期单元的四个圆柱体的高度h＝0.2um-1um，大小为；周期单元的晶格常数分别Px＝Py＝1um-4um；相邻圆柱的距离g＝0um-1um。

超表面结构单元的材料包括Si、Ge、PbTe等高折射率低损耗的介质材料，并且能够传统半导体微纳加工技术很好的兼容。其中超表面结构单元的折射率越高，应用的波段的波长越大。通过选择不同折射率的超表面结构单元材料，可以应用于不同波段，从近红外到中红外范围内来实现选择反射。

如图4所示的超表面结构阵列，反谐振空芯光纤的包层部分和超表面基底通过紫外胶连接起来，形成结构紧凑的光纤集成器件。其中的超表面的超表面结构周期性阵列，具有一定的不对称性，但又具有四重旋转对称和镜面对称，在电磁共振耦合中会激发准BIC模式，能够产生高Q值谐振，形成窄带反射峰并且极化不敏感。

图5为柔性基底上的单元结构阵列形变示意图，其中超表面结构阵列的柔性基底因两侧压强不等而发生凹变时，其中超表面结构阵列发生形变，使结构参数Px、Py、g都变大。超表面结构阵列所占面积相对于柔性超表面基底面积来说较小，在微软形变下超表面结构阵列仍可以认为还垂直于柔性超表面基底。而谐振峰的波长对超表面结构参数的变化更加敏感，从而在受到微小形变的时候，可以看成只有超表面结构单元的几何参数Px、Py、g′发生变化。其中介质单元结构的杨氏模量远大于柔性超表面基底，介质单元结构不会发生形变。

如图6所示，一种基于柔性基底超表面的集成式空芯反谐振光纤可调谐反射器，周期性排列的超表面介质纳米结构阵列2的参数可以选择为R＝0.7um，H＝0.4um，Px＝Py＝1.8um，g′＝0.12um，根据具体的反射波长选择合适的反谐振空芯光纤作为传输媒介；介质基底材料为PDMS。当光从反谐振空芯光纤传播到超表面结构上时，激发谐振单元集体共振，形成准BIC模式，在特定波长下形成极窄线宽的共振峰。图6为超表面介质纳米结构材料为分别为Ge的反射图谱，从中可以看出，在3.066nm处具有99％的反射率，半高全宽近1nm，具有较好的反射滤波效果。如图7所示，柔性基底发生形变，使超表面结构参数发生变化，在形变率约为0％、2.2％、4.4％、6.6％时，P和g′的大小分别为1.8um和0.12um、1.84um和0.123um、1.88um和0.126um、1.92um和0.129um；对应的谐振波长分别为3.066um、3.071um、3.078um、3.085um。可以看出谐振波长会受到超表面基底的形变率的调制，而微小的形变也不会对超表面结构发生完全变形。

进一步的，构成超表面的结构阵列的材料可以是不同折射率低损耗的介质材料，再通过调控超表面的结构阵列的几何参数可以实现反射特定波长。

本发明利用反谐振空芯光纤独特的空芯结构，发明了一种基于超表面的波长可调光纤反射器。其中超表面柔性基底受到两侧的气压影响而发生微弱形变，使超表面周期性结合单元的几何参数发生变化，从而实现谐振波长的动态调控。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上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作的任何修改、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)

1.一种空芯反谐振光纤可调谐反射器，其特征在于，包括反谐振负曲率空芯光纤、周期排列的超表面纳米结构阵列和柔性基底；

其中，周期排列的超表面纳米结构阵列位于柔性基底上；柔性基底固定在反谐振负曲率空芯光纤的端面，使周期排列的超表面纳米结构阵列位于反谐振负曲率空芯光纤的端面，形成可调谐窄带光纤反射器；

改变周期排列的超表面纳米结构阵列单元中圆柱体的位置，使其偏离原中心位置，给周期排列的超表面纳米结构阵列引入一定的不对称性；周期排列的超表面纳米结构阵列单元组成的周期排列的超表面纳米结构阵列具有四重旋转对称和镜面对称，在电磁共振耦合中激发准BIC模式，产生高Q值谐振峰，形成窄带反射峰并且极化不敏感；

在反谐振负曲率空芯光纤纤芯传播的光入射到超表面上时，超表面产生电偶极子共振，将目标波长反射；

柔性基底受压强影响产生形变，进而使超表面纳米结构阵列的几何参数发生改变，实现谐振波长的动态调控。

2.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤可调谐反射器，其特征在于，反谐振负曲率空芯光纤包括空芯纤芯、光纤包层和玻璃壁。

3.根据权利要求2所述的空芯反谐振光纤可调谐反射器，其特征在于，通过紫外胶将柔性基底和光纤包层结合，使柔性基底固定在反谐振负曲率空芯光纤的端面。

4.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤可调谐反射器，其特征在于，周期排列的超表面纳米结构阵列单元为四个相同直径的圆柱体，直径R为0.2um-1.5um，高度h为0.2um-1um,晶格常数Px＝Py＝1um-4um，相邻圆柱的距离小于1um。

5.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤可调谐反射器，其特征在于，采用光学微纳加工技术将超表面纳米结构阵列制作在柔性基底上。

6.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤可调谐反射器，其特征在于，柔性基底材料为PDMS或PMMA。

7.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤可调谐反射器，其特征在于，超表面纳米结构阵列为具有高透过率、低损耗的介质材料，包括Si、Ge和PbTe。