CN115826127A - 金覆膜d型微结构光纤大容差偏振滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，其包括纤芯、包层、金薄膜和折射率匹配液，包层，包括第一类气孔、第二类气孔、第三类气孔、第四类气孔、第五类气孔和石英，石英的外形结构由圆弧曲面和抛光平面组成，抛光平面上依次设有金薄膜和折射率匹配液，第一类气孔位于石英内部靠近抛光平面的一侧，第五类气孔位于石英内部靠近圆弧曲面底部的一侧，第二类气孔位于第一类气孔和第五类气孔之间，第四类气孔位于石英内部靠近圆弧曲面顶部的一侧，第三类气孔位于第四类气孔和第五类气孔之间，对称分布的第四类气孔和第五类气孔呈等腰三角形排布。本发明实现两正交偏振方向高性能滤波，具有宽带宽、高稳定性、高消光比滤波特性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤滤波器领域，特别涉及一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器。
背景技术
在现代通信领域中，基于微结构光纤的高性能偏振滤波器受到了更高的关注度。通过改变光纤结构或者向包层气孔中选择性填充不同材料等方法，能够有效地扩展光学特性，在特定波长下将某一偏振方向上的光滤除，由此达到光的单偏振方向输出。
在光纤空气孔内壁或者光纤外部涂覆金属膜，利用表面等离子体共振技术实现滤波是目前增强滤波的主要手段。例如，Mingqin Li等人设计了一种基于表面等离子体共振微结构光纤滤波器，将金纳米线选择性填充到空气孔中，通过调节气孔直径，实现了滤光功能；李博耀等人提出在空气孔内壁涂覆金属膜从而影响光纤特性，实现了双波长单偏振滤波功能。由于微孔内均匀地涂覆金属薄膜制作难度较大且耗费时间，王玉君等人提出一种侧面抛光镀金膜的微结构光纤滤波器，实现单偏振滤波功能，只能对一个偏振方向的光进行滤除。
随着光纤后处理技术的日益成熟，许多研究人员尝试使用物理方法诸如机械抛光和化学方法诸如腐蚀溶解去除包层，制作D型侧面抛光模型。但是现有的偏振器一方面尚无法实现双波段双偏振的功能，另一方面容错率较差，滤波器的性能与金膜厚度相关性较大，制造时需要严格控制金膜的厚度，制造工艺较复杂，且偏振器性能较差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，通过设置具有不同气孔的包层和涂覆金薄膜实现大容差和双偏振的滤波功能，在内层设置第一类气孔和所述第二类气孔，第一类气孔用来调节纤芯内光泄露到金薄膜表面的光强度；在外层设置第三类气孔、第四类气孔和第五类气孔，第三类气孔和第四类气孔分别关于垂直于所述抛光平面的轴线对称分布，第五类气孔位于垂直于所述抛光平面的轴线上，调节纤芯内光泄露到包层的光强度，从而进行不同偏振方向的滤波，实现了双波段和双偏振方向的滤波需求；同时将金薄膜涂覆在包层的抛光平面上，避免了在气孔内壁涂覆金薄膜，降低了制作难度。
本发明提供了一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，其包括纤芯、包层、金薄膜和折射率匹配液，所述包层、所述金薄膜和所述折射率匹配液均位于所述纤芯的外部。所述包层，其包括第一类气孔、第二类气孔、第三类气孔、第四类气孔、第五类气孔和石英，所述石英的外形结构由圆弧曲面和抛光平面组成，所述石英的截面为D型截面，所述抛光平面上依次设有金薄膜和折射率匹配液，所述第一类气孔位于所述石英内部靠近抛光平面的一侧，所述第五类气孔位于石英内部靠近圆弧曲面底部的一侧，所述第二类气孔位于所述第一类气孔和所述第五类气孔之间，所述第四类气孔位于石英内部靠近圆弧曲面顶部的一侧，所述第三类气孔位于所述第四类气孔和所述第五类气孔之间。在水平方向上，所述第一类气孔、所述第二类气孔、所述第三类气孔和所述第四类气孔分别关于垂直于所述抛光平面的轴线对称分布，所述第五类气孔位于垂直于所述抛光平面的轴线上，所述第四类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离大于所述第三类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离，所述第三类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离大于所述第二类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离，所述第二类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离等于所述第一类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离。所述第一类气孔的直径小于所述第二类气孔的直径，所述第二类气孔的直径等于所述第三类气孔的直径，关于垂直于抛光平面的轴线对称分布的第一类气孔和第二类气孔之间的石英区域构成纤芯的芯区，对称分布的所述第四类气孔和所述第五类气孔呈等腰三角形排布，使纤芯内的光向金薄膜的方向泄露产生表面等离子体共振。所述包层内空气孔使光纤具有高双折射特性，两个相互正交的偏振方向上产生折射率之差，使两正交偏振模式分开，与表面等离子体发生差异性共振，所述高双折射的具体表达式为：
其中，
和
表示x和y偏振方向上的有效折射率。
可优选的是，在所述包层中，气孔内空气的折射率为1，所述背景材料为石英，石英色散通过以下表达式获得：
其中，λ是自由空间的波长，n是石英的折射率。
可优选的是，所述第一类气孔、所述第二类气孔、所述第三类气孔和所述第四类气孔的数量均为两个，所述第五类气孔的数量为一个；所述第一类气孔和所述第二类气孔组成内层气孔，所述第三类气孔、所述第四类气孔和所述第五类气孔组成外层气孔。
可优选的是，所述第一类气孔的直径d1为3μm，所述第二类气孔的直径d2为4μm，所述第三类气孔的直径d3为4μm，所述第四类气孔的直径d4为5μm，所述第五类气孔的直径d5为7μm。
可优选的是，所述第一类气孔的间距为3μm，所述第二类气孔的间距为4μm；所述第三类气孔的间距为12.4μm，所述第四类气孔的间距为14μm，所述第五类气孔的中心距所述包层中心的距离为6.3μm。
可优选的是，所述包层的圆弧曲面的半径R为10μm。
可优选的是，所述金薄膜厚度为70-79nm，所述折射率匹配液的折射率为1.3。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明滤波器在微结构光纤的包层上设计了大气孔，提升了滤波性能；又对D型表面涂覆金膜用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料，对金膜的厚度进行选择控制，以便使表面等离子体模与纤芯基模产生强烈共振耦合，实现了大容差且双偏振方向高性能滤波。
2、本发明微结构光纤的D型结构和包层气孔排布打破了垂直方向上的对称性，引入了高双折射特性，提高了偏振滤波消光比，最高可达131dB；另外，将金薄膜沉积在抛磨平面上，增大了作用面积，增强了光纤宽带宽偏振滤波特性，带宽最大可达到260nm。
3、本发明所沉积的金薄膜厚度在70～79nm内，金薄膜较厚且对表面等离子体共振产生的影响较小，金薄膜厚度由70nm变化到79nm过程中，损耗峰值波长没有发生改变，滤波中心波长和带宽不随金薄膜厚度的改变而改变，实现良好的大容差偏振滤波效果，大容差指滤波器的性能对结构误差容忍度大，因此能够在保证滤波器性能的基础上降低滤波器的制备难度，大容差也可以称之为容错能力强。本发明所制备的滤波器对金属薄膜的厚度容差度大，厚度在一定范围内变化，对器件的性能基本没有影响，极大的简化了制备工艺，并且使滤波器的性能更加稳定。
4、本发明能够在1140nm-1400nm和1570nm-1630nm两个波段范围内分别进行Y和X偏振方向滤波，实现了双波段、双偏振方向的滤波需求。
5、本发明的光纤结构简单且空气孔尺寸最小为3μm，最大的气孔直径为7μm，且气孔与气孔之间间距较大，很大程度上降低了制作难度和成本。本发明的包层截面为D型，金薄膜涂覆在包层的抛光平面上，避免了在气孔内壁涂覆金膜，降低了制作难度。
附图说明
图1为本发明一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器中光纤的横截面；
图2a为本发明一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器中金薄膜厚度为70nm时X偏振模与Y偏振模的损耗图；
图2b为本发明一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器中金薄膜厚度为79nm时X偏振模与Y偏振模的损耗图；
图2c为本发明一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器中金薄膜厚度为70nm和79nm时X偏振模与Y偏振模的损耗图；
图3为本发明一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器中金薄膜厚度为70nm和79nm时滤波器的消光比图；
图4为本发明一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器中X偏振模电场分布图；
图5为本发明一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器中Y偏振模电场分布图。
主要附图标记：
纤芯1，包层2，第一类气孔21，第二类气孔22，第三类气孔23，第四类气孔24，第五类气孔25，石英26，金薄膜3，折射率匹配液4。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本申请提供一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，也可以称之为一种金覆膜D型微结构光纤容错能力强偏振滤波器，如图1所示，包括纤芯1、包层2、金薄膜3和折射率匹配液4，包层2、金薄膜3和折射率匹配液4均位于纤芯1的外部，优选例，包层的圆弧曲面的半径R为10μm，金薄膜厚度为70nm和79nm，折射率匹配液的折射率为1.3。
包层2，包括第一类气孔21、第二类气孔22、第三类气孔23、第四类气孔24、第五类气孔25和石英26，石英26的外形结构由圆弧曲面和抛光平面组成，石英26的截面为D型截面，石英26作为气孔载体的微结构，抛光平面上依次设有金薄膜3和折射率匹配液4，第一类气孔21位于石英26内部靠近抛光平面的一侧，第五类气孔25位于石英26内部靠近圆弧曲面底部的一侧，第二类气孔22位于第一类气孔21和第五类气孔25之间，第四类气孔24位于石英2内部靠近圆弧曲面顶部的一侧，第三类气孔23位于第四类气孔24和第五类气孔25之间。
在水平方向上，第一类气孔21、第二类气孔22、第三类气孔23和第四类气孔24分别关于垂直于抛光平面的轴线对称分布，第五类气孔25位于垂直于抛光平面的轴线上，第四类气孔24与垂直于抛光平面的轴线的距离大于第三类气孔23与垂直于抛光平面的轴线的距离，第三类气孔23与垂直于抛光平面的轴线的距离大于第二类气孔22与垂直于抛光平面的轴线的距离，第二类气孔22与垂直于抛光平面的轴线的距离等于第一类气孔21与垂直于抛光平面的轴线的距离。
第一类气孔21的直径小于第二类气孔22的直径，第二类气孔22的直径等于第三类气孔23的直径，关于垂直于抛光平面的轴线对称分布的第一类气孔21和第二类气孔22之间的石英区域构成纤芯1的芯区，对称分布的第四类气孔24和第五类气孔25呈等腰三角形排布，使纤芯1内的光向金薄膜的方向泄露产生表面等离子体共振。
包层2内空气孔使光纤具有高双折射特性，两个相互正交的偏振方向上产生折射率之差，使两正交偏振模式分开，与表面等离子体发生差异性共振，高双折射的具体表达式为：
其中，
和
表示x和y偏振方向上的有效折射率。
在包层2中，气孔内空气的折射率为1，背景材料为石英，石英色散可以通过以下表达式获得：
其中，λ是自由空间的波长，n是石英的折射率。
在本发明的一个优选实施例中，第一类气孔21、第二类气孔22、第三类气孔23和第四类气孔24的数量均为两个，第五类气孔25的数量为一个；第一类气孔21和第二类气孔22组成内层气孔，第三类气孔23、第四类气孔24和第五类气孔25组成外层气孔。
具体而言，第一类气孔21的直径d1为3μm，第二类气孔22的直径d2为4μm，第三类气孔23的直径d3为4μm，第四类气孔24的直径d4为5μm，第五类气孔25的直径d5为7μm。
第一类气孔21的间距为3μm，第二类气孔22的间距为4μm；第三类气孔23的间距为12.4μm，第四类气孔24的间距为14μm，第五类气孔25的中心距包层1中心的距离为6.3μm。
以下结合实施例对本发明一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器做进一步描述：
首先搭建由宽带光源、本发明偏振滤波器和光谱仪等光学元件组成的实验平台，来研究金薄膜3厚度为70nm和79nm的D型微结构大容差光纤的偏振滤波特性。
接着将金薄膜3厚度为70nm的D型微结构光纤的两端分别与多模光纤熔接，由宽带光源发出的光通过多模光纤射入本发明偏振滤波器内，当满足位相匹配条件时，等离子体模与纤芯偏振模发生耦合共振，能量由偏振滤波器的纤芯转移到D型抛光面-金属界面上，出射光经多模光纤最后输入到光谱仪中。
最后旋转半波片的方位角来连续改变光的偏振方向，利用光谱仪测量不同波长处两正交偏振光下微结构光纤的损耗光谱，如图2a所示。
同理，将金薄膜3厚度为79nm的D型微结构光纤的两端分别与多模光纤熔接，置于该实验平台上，利用光谱仪测量不同波长处两正交偏振光下微结构光纤的损耗光谱，如图2b所示，进而系统分析微结构光纤双偏振方向偏振滤波特性，得到图3所示的消光比曲线。
通过上述试验可知，在图2a、2b和2c中，曲线A和B分别是光纤在Y和X两正交偏振方向纤芯基模的限制损耗。
从图2a中可以看到X偏振模的损耗峰出现在1.6μm处，此时X偏振模的损耗为9496dB/m，Y偏振模的损耗为2368dB/m，很明显两者之间存在一定损耗差异，光纤中大部分的传输能量来自于Y偏振方向，从而在此波段起到了滤掉X偏振方向的光的作用；而Y偏振模的最高损耗峰出现在1.21μm处，此时Y偏振方向的损耗为14868dB/m，X偏振模的损耗很小为70dB/m，二者之间的损耗差值较大，同时也可以看出Y偏振模在1.3μm处也与等离子体模发生了耦合共振，损耗峰值为7682dB/m，X偏振模的损耗很小，所以在1.21μm和1.3μm处可以实现Y偏振方向良好的滤波功能。
图2b是金薄膜3厚度为79nm时的光纤损耗图，X偏振模损耗峰和Y偏振模损耗峰分别出现在1.6μm和1.21μm处，分别是10049dB/m和15246dB/m，同时Y偏振模在1.3μm处也发生了共振耦合，都可以实现滤波功能。
从图2c可以看出曲线A和C为70nm下两正交纤芯基模的损耗曲线，曲线B和D为79nm下的损耗曲线，根据图中的曲线可以明显看出，金薄膜3厚度为70nm和79nm时，Y偏振方向发生共振耦合的波长均为1.21μm和1.3μm，X偏振方向发生共振耦合的波长为1.6μm。即两种不同金薄膜3厚度下发生等离子体共振的波长相同，属于金薄膜3厚度的大容差滤波器，滤波带宽不随金膜厚度改变而发生改变，滤波性能具有良好的稳定性。
图3为不同金薄膜3厚度下的消光比随波长的变化图，曲线A和B分别为金膜厚度为70nm和79nm时的消光比。消光比是偏振滤波器的一个重要参数，当其低于-20dB或者高于20dB时，滤波器便可以滤掉X或者Y偏振方向的光，而消光比越高，其滤波效果越好。从图3中的纵轴虚线可以明显看出随着金薄膜3的增厚，消光比的峰值是增大的，而消光比峰值波长保持1.21μm、1.3μm和1.6μm不变，没有随着金薄膜3的增厚而发生改变，具有很好的稳定性和容差特性。如图3所示，Y偏振方向的滤波带宽约为260nm(1140nm-1400nm)，具有较宽的带宽，当金薄膜3厚度为70nm和79nm时，其消光比峰值在1.21μm处分别为128dB和131dB，其中在通信波长1.3μm处，其消光比分别为63dB和70.1dB。X偏振方向的滤波带宽约为60nm(1570nm-1630nm)，在金薄膜3厚度为70nm和79nm时，其消光比峰值分别是-61dB和-66dB。
本发明偏振滤波器可以在1140nm-1400nm和1570nm-1630nm两个波段内分别实现Y偏振与X偏振方向双偏振方向滤波的功能，Y偏振方向的滤波带宽中涵盖了1310nm通讯波长，而且随着金薄膜3厚度的增加，消光比峰值波长和滤波带宽均未发生改变，所以本发明偏振滤波器在容差性和增大带宽方面有很大的提升。
图4和图5分别是本发明偏振滤波器的X偏振基模与Y偏振基模电场分布图，图中光斑处是能量的聚集处，也是纤芯处，纤芯处的能量最强；从图中可以看到光子能量聚集时的偏振方向，偏振方向由箭头指出。通常光斑形成的越集中，则能量越集中，传输信号也越好，从图中可以看到本发明偏振滤波器的光斑集中，有很好的传输信号能力。
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 (7)
1.一种金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，其包括纤芯、包层、金薄膜和折射率匹配液，所述包层、所述金薄膜和所述折射率匹配液均位于所述纤芯的外部，其特征在于，
所述包层，其包括第一类气孔、第二类气孔、第三类气孔、第四类气孔、第五类气孔和石英，所述石英的外形结构包括圆弧曲面和抛光平面，所述石英的截面为D型截面，所述抛光平面上依次设有金薄膜和折射率匹配液，所述第一类气孔位于所述石英内部靠近抛光平面的一侧，所述第五类气孔位于石英内部靠近圆弧曲面底部的一侧，所述第二类气孔位于所述第一类气孔和所述第五类气孔之间，所述第四类气孔位于石英内部靠近圆弧曲面顶部的一侧，所述第三类气孔位于所述第四类气孔和所述第五类气孔之间；在水平方向上，所述第一类气孔、所述第二类气孔、所述第三类气孔和所述第四类气孔分别相对于垂直于所述抛光平面的轴线对称分布，所述第五类气孔位于垂直于所述抛光平面的轴线上，所述第四类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离大于所述第三类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离，所述第三类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离大于所述第二类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离，所述第二类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离等于所述第一类气孔与垂直于所述抛光平面的轴线的距离；所述第一类气孔的直径小于所述第二类气孔的直径，所述第二类气孔的直径等于所述第三类气孔的直径，关于垂直于抛光平面的轴线对称分布的第一类气孔和第二类气孔之间的石英区域构成纤芯的芯区，对称分布的所述第四类气孔和所述第五类气孔呈等腰三角形排布，使纤芯内的光向金薄膜的方向泄露产生表面等离子体共振；
所述包层内空气孔使光纤具有高双折射特性，两个相互正交的偏振方向上产生折射率之差，使两正交偏振模式分开，与表面等离子体发生差异性共振，所述高双折射的具体表达式为：
其中，
和
表示x和y偏振方向上的有效折射率。
2.根据权利要求1所述的金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，其特征在于，在所述包层中，气孔内空气的折射率为1，包层的背景材料为石英，石英色散通过以下表达式获得：
其中，λ是自由空间的波长，n是石英的折射率。
3.根据权利要求1所述的金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，其特征在于，所述第一类气孔、所述第二类气孔、所述第三类气孔和所述第四类气孔的数量均为两个，所述第五类气孔的数量为一个；所述第一类气孔和所述第二类气孔组成内层气孔，所述第三类气孔、所述第四类气孔和所述第五类气孔组成外层气孔。
4.根据权利要求1或者3所述的金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，其特征在于，所述第一类气孔的直径d1为3μm，所述第二类气孔的直径d2为4μm，所述第三类气孔的直径d3为4μm，所述第四类气孔的直径d4为5μm，所述第五类气孔的直径d5为7μm。
5.根据权利要求1或者3所述的金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，其特征在于，所述第一类气孔的间距为3μm，所述第二类气孔的间距为4μm；所述第三类气孔的间距为12.4μm，所述第四类气孔的间距为14μm，所述第五类气孔的中心距所述包层中心的距离为6.3μm。
6.根据权利要求1所述的金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，其特征在于，所述包层的圆弧曲面的半径R为10μm。
7.根据权利要求1所述的金覆膜D型微结构光纤大容差偏振滤波器，其特征在于，所述金薄膜厚度为70-79nm，所述折射率匹配液的折射率为1.3。
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