專利名稱：一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，具體涉及一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，它是具有偏振分束濾波功能的金填充高雙折射光子晶體光纖，可在特定波長處實現(xiàn)良好的偏振分束濾波功能，適用于基于光纖的偏振濾波器件。
背景技術(shù)：
隨著科技的不斷發(fā)展，光學(xué)器件小型化、集成化發(fā)展趨勢日趨明顯，光子晶體光纖以其靈活可控的獨特優(yōu)勢在光纖及其器件應(yīng)用中得到人們的青睞。單一材質(zhì)的石英光子晶體光纖已經(jīng)難以滿足豐富多樣的光學(xué)器件的功能需求。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)在光子晶體光纖的空氣孔中填充一些特殊材料，可以使光纖表現(xiàn)出更豐富的光學(xué)性質(zhì)。在光纖空氣孔中填充金屬絲或是涂覆金屬薄膜，可以利用金屬與介質(zhì)間的表面等 離子體激元共振效應(yīng)實現(xiàn)光纖的傳感或濾波應(yīng)用。近期，H. K. Tyagi等人將微米尺度的金填充到毫米尺度的熔融石英管中，采用直接地堆疊和拉絲技術(shù)，在普通的階躍折射率摻鍺石英光纖中成功地拉制出直徑260納米的高質(zhì)量金納米絲填充光纖。H. ff. Lee等人采用一種基于熔接的新型壓力輔助熔融填充技術(shù)，在石英光子晶體光纖中實現(xiàn)了直徑120納米的金納米絲的選擇性填充，這使金屬絲填充光纖在制作技術(shù)上得到了極大的進(jìn)步。日本研究小組Akira Nagasaki等人從理論上做了如下研究計算并分析在光子晶體光纖包層空氣孔中選擇性填充金納米絲后光纖的偏振特性。理論研究表明，在光子晶體光纖包層空氣孔中選擇性填充一根或數(shù)根金屬絲可以實現(xiàn)良好的濾波功能。但是在實踐上，這種基于普通的六邊形對稱結(jié)構(gòu)的金屬填充光子晶體光纖，不能很好的實現(xiàn)兩正交偏振方向完全分離的分束濾波效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述存在的技術(shù)問題，通過研究金屬填充型光子晶體光纖中表面等離子體激元共振響應(yīng)波長與光纖雙折射、空氣填充比率和填充金屬大小的關(guān)系，提供可以實現(xiàn)偏振分束濾波效應(yīng)的一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，由于其本身具有高雙折射特性，通過選擇性填充適當(dāng)大小的金屬絲，可以實現(xiàn)特定波長處的偏振分束濾波功能。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，它是由纖芯I，背景材料2,包層大空氣孔3、4、小空氣孔5和填充金屬絲6構(gòu)成，所述的包層空氣孔為均勻的正三角形陣列分布，其中心空氣孔缺失構(gòu)成芯區(qū)，兩正交偏振方向不同大小的空氣孔形成光纖高雙折射區(qū)，第二層空氣孔中選擇性填充一根或兩根金屬絲，所述光纖的背景材料為石英材料。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，所述的兩正交偏振方向不同大小的空氣孔形成光纖高雙折射區(qū)，其最內(nèi)層沿某一偏振方向(X)為兩個較大空氣孔，沿與其正交的偏振方向(y)最內(nèi)層和第三層分布為八個小空氣孔，最內(nèi)層沿X偏振方向兩個大空氣孔直徑D為2. 6微米，最內(nèi)層和第三層沿y偏振方向的八個小空氣孔直徑式為I微米，其它各空氣孔直徑J為I. 9微米，相鄰兩空氣孔之間的孔間距」為2. 4微米，第二層沿y偏振方向的兩個空氣孔處可以填充上一根或兩根金屬絲，所填充的金屬為金，或者為銀，或者為鍺，填充金屬絲的直徑4在I. 7微米到2微米之間。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在光纖系統(tǒng)中使用，可以實現(xiàn)在不同波長點的偏振分束濾波功能。本發(fā)明可以分別在I. 125微米和I. 275微米處實現(xiàn)y偏振方向和X偏振方向的濾波功能。通過適當(dāng)?shù)倪x擇填充金屬絲的尺寸，可以實現(xiàn)不同波長處的濾波效果。本發(fā)明通過適當(dāng)?shù)倪x擇填充金屬絲的尺寸，可以實現(xiàn)I. 3微米附近通信波段的偏振分束濾波功能。這種光纖濾波器易于與光纖系統(tǒng)集成，以適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)小型化、集成化發(fā)展，并且對于偏振分束濾波和傳感技術(shù)的發(fā)展有重要意義。一


圖I是本發(fā)明第一實施例的光纖截面示意 圖2是本發(fā)明第一實施例的光纖的色散關(guān)系 圖3是本發(fā)明第一實施例的光纖的傳輸損耗 圖4是本發(fā)明第二實施例的光纖截面示意圖。二具體實施例方式 為了更詳細(xì)地說明本發(fā)明，下面結(jié)合附圖具體描述本發(fā)明的工作原理及此類光纖的各種實施例。實施例I
如圖I所示，一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，它是由纖芯I，背景材料2，包層大空氣孔3、4、小空氣孔5和填充金屬絲6構(gòu)成，背景材料2為石英材料，其包層空氣孔均勻地分布在三角形陣列的各個結(jié)點上，中心空氣孔缺失構(gòu)成芯區(qū)，兩正交偏振方向不同大小的空氣孔形成光纖高雙折射區(qū)最內(nèi)層沿某一偏振方向(X)的兩個較大空氣孔4直徑D為2. 6微米，沿與其正交的偏振方向(y)的最內(nèi)層和第三層的八個小空氣孔5直徑式為I微米，其它各空氣孔3直徑^/為I. 9微米，相鄰兩空氣孔之間的孔間距」為2. 4微米，光纖第二層空氣孔沿y偏振方向的空氣孔6處填充一根金納米絲，所填充金屬絲的直徑4為I. 7微米。圖2所示為本實施例的光纖的色散關(guān)系圖，曲線A、B分別為光纖的y偏振方向和X偏振方向的基模有效折射率隨波長的變化，曲線(Tl為金納米絲各階表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)模式有效折射率隨波長的變化,其中C為零階SPP模式，D、E分別為一階y，X方向SPP模式，F(xiàn)、G分別為二階y，x方向SPP模式，H、I分別為三階y，x方向SPP模式。光子晶體光纖中的傳導(dǎo)光由于受到光纖包層周期性結(jié)構(gòu)的限制以一定的傳輸模式在光纖中傳輸。在金屬填充光子晶體光纖中，當(dāng)光纖中光傳導(dǎo)模式和金屬SPP模式相位匹配時，纖芯中的傳導(dǎo)光會強烈地耦合到金屬表面，使光以等離子體激元的形式在金屬絲表面?zhèn)鬏敗Ｒ簿褪钦f，在光纖傳導(dǎo)模式色散曲線與金屬SPP模式色散曲線的交點波長附近，傳導(dǎo)光會從纖芯強烈地耦合到金屬絲表面，從而實現(xiàn)金屬填充光纖的濾波功能。對于普通的對稱型金屬填充光子晶體光纖，x，y兩正交偏振方向的濾波響應(yīng)波長通常在同一波長點，因此不能很好的滿足偏振濾波器件的需求。本發(fā)明在波長I. 55微米處光纖雙折射強度為0. 00221。受光纖雙折射影響，金屬SPP兩偏振方向模式也表現(xiàn)出一定的雙折射效應(yīng)。因此，光纖兩偏振方向的濾波響應(yīng)發(fā)生在不同的波長位置。其中，以二階SPPs共振響應(yīng)的分束效應(yīng)最為明顯。圖3所示為本實施例的光纖傳輸損耗圖。曲線J、K分別為光纖y, X兩偏振方向的傳輸損耗 。從圖3中可以看出，光纖傳輸模式與金屬二階SPPs共振響應(yīng)可以實現(xiàn)良好的偏振分束濾波功能。實施例2:
如圖4所示，一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，它是由纖芯I'，背景材料2'，包層大空氣孔3'、4'、小空氣孔5'和填充金屬絲6'構(gòu)成，背景材料2，為石英材料，其包層空氣孔均勻的分布在三角形陣列的各個結(jié)點上，中心空氣孔缺失構(gòu)成芯區(qū)，兩正交偏振方向不同大小的空氣孔形成光纖高雙折射區(qū)最內(nèi)層沿某一偏振方向(X')的兩個較大空氣孔4'直徑為2.6微米，沿與其正交的偏振方向(y')的最內(nèi)層和第三層八個小空氣孔5'直徑為I微米。該光纖其它各空氣孔3'直徑V為1.9微米，相鄰兩空氣孔之間的孔間距」z為2. 4微米，光纖第二層空氣孔沿y'偏振方向的兩個空氣孔6'處各填充一根金納米絲，所填充金屬絲的直徑式z為1.7微米。由于填充的兩根金屬絲對稱的分布在光纖纖芯的上側(cè)和下側(cè)空氣孔，兩金屬絲表面的SPP模式不會相互作用而形成SPP超模，因此，與實施例I相比，本實施例增加了濾波響應(yīng)的強度，并不影響響應(yīng)波長的位置，可以實現(xiàn)圖3所示響應(yīng)波長點更強的偏振分束濾波功能。
權(quán)利要求
1.一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，它是由纖芯(1)，背景材料(2)，包層大空氣孔(3)、(4)、小空氣孔(5)和填充金屬絲(6)構(gòu)成，其特征在于所述的包層空氣孔為均勻的正三角形陣列分布，其中心空氣孔缺失構(gòu)成芯區(qū)，兩正交偏振方向不同大小的空氣孔形成光纖高雙折射區(qū)，第二層空氣孔中選擇性填充一根或兩根金屬絲，所述光纖的背景材料為石英材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，其特征在于所述的兩正交偏振方向不同大小的空氣孔形成光纖高雙折射區(qū)，其最內(nèi)層沿某一偏振方向(X)為兩個較大空氣孔，沿與其正交的偏振方向(y)最內(nèi)層和第三層分布為八個小空氣孔，最內(nèi)層沿X偏振方向兩個大空 氣孔直徑D為2. 6微米，最內(nèi)層和第三層沿y偏振方向的八個小空氣孔直徑 < 為I微米，其它各空氣孔直徑^/為I. 9微米，相鄰兩空氣孔之間的孔間距」為2. 4微米，第二層沿y偏振方向的兩個空氣孔處可以填充上一根或兩根金屬絲，所填充的金屬為金，或者為銀，或者為鍺，填充金屬絲的直徑尤在I. 7微米到2微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，其特征在于光纖第二層空氣孔沿y偏振方向的空氣孔(6)處填充一根金絲，所填充金屬絲的直徑為I. 7微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，其特征在于光纖第二層空氣孔沿I'偏振方向的兩個空氣孔(6)處各填充一根金絲，所填充金屬絲的直徑為I. 7微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬絲填充近菱形大空氣孔內(nèi)包層偏振光子晶體光纖，其技術(shù)方案的要點是它是由纖芯1，背景材料2，包層大空氣孔3、4、小空氣孔5和填充金屬絲6構(gòu)成，所述的包層空氣孔為均勻的正三角形陣列分布，其中心空氣孔缺失構(gòu)成芯區(qū)，兩正交偏振方向不同大小的空氣孔形成光纖高雙折射區(qū)，第二層空氣孔中選擇性填充一根或兩根金屬絲，所述光纖的背景材料為石英材料。本發(fā)明在光纖系統(tǒng)中使用，可以實現(xiàn)在不同波長點的偏振分束濾波功能。通過適當(dāng)?shù)倪x擇填充金屬絲的尺寸，可以實現(xiàn)不同波長處的濾波效果。這種光纖濾波器易于與光纖系統(tǒng)集成，以適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)小型化、集成化發(fā)展。
文檔編號G02B6/032GK102736168SQ20121019602
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者李曙光, 杜穎 申請人:燕山大學(xué)