专利名称：一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光子晶体光纤结构，具体涉及一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，它是具有偏振分束滤波功能的金填充高双折射光子晶体光纤，可在特定波长处实现良好的偏振分束滤波功能，适用于基于光纤的偏振滤波器件。
背景技术：
随着科技的不断发展，光学器件小型化、集成化发展趋势日趋明显，光子晶体光纤以其灵活可控的独特优势在光纤及其器件应用中得到人们的青睐。单一材质的石英光子晶体光纤已经难以满足丰富多样的光学器件的功能需求。随着研究的不断深入，人们发现在光子晶体光纤的空气孔中填充一些特殊材料，可以使光纤表现出更丰富的光学性质。在光纤空气孔中填充金属丝或是涂覆金属薄膜，可以利用金属与介质间的表面等 离子体激元共振效应实现光纤的传感或滤波应用。近期，H. K. Tyagi等人将微米尺度的金填充到毫米尺度的熔融石英管中，采用直接地堆叠和拉丝技术，在普通的阶跃折射率掺锗石英光纤中成功地拉制出直径260纳米的高质量金纳米丝填充光纤。H. ff. Lee等人采用一种基于熔接的新型压力辅助熔融填充技术，在石英光子晶体光纤中实现了直径120纳米的金纳米丝的选择性填充，这使金属丝填充光纤在制作技术上得到了极大的进步。日本研究小组Akira Nagasaki等人从理论上做了如下研究计算并分析在光子晶体光纤包层空气孔中选择性填充金纳米丝后光纤的偏振特性。理论研究表明，在光子晶体光纤包层空气孔中选择性填充一根或数根金属丝可以实现良好的滤波功能。但是在实践上，这种基于普通的六边形对称结构的金属填充光子晶体光纤，不能很好的实现两正交偏振方向完全分离的分束滤波效应。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，通过研究金属填充型光子晶体光纤中表面等离子体激元共振响应波长与光纤双折射、空气填充比率和填充金属大小的关系，提供可以实现偏振分束滤波效应的一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，由于其本身具有高双折射特性，通过选择性填充适当大小的金属丝，可以实现特定波长处的偏振分束滤波功能。为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，它是由纤芯I，背景材料2,包层大空气孔3、4、小空气孔5和填充金属丝6构成，所述的包层空气孔为均匀的正三角形阵列分布，其中心空气孔缺失构成芯区，两正交偏振方向不同大小的空气孔形成光纤高双折射区，第二层空气孔中选择性填充一根或两根金属丝，所述光纤的背景材料为石英材料。作为本发明的进一步改进，一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，所述的两正交偏振方向不同大小的空气孔形成光纤高双折射区，其最内层沿某一偏振方向(X)为两个较大空气孔，沿与其正交的偏振方向(y)最内层和第三层分布为八个小空气孔，最内层沿X偏振方向两个大空气孔直径D为2. 6微米，最内层和第三层沿y偏振方向的八个小空气孔直径式为I微米，其它各空气孔直径J为I. 9微米，相邻两空气孔之间的孔间距」为2. 4微米，第二层沿y偏振方向的两个空气孔处可以填充上一根或两根金属丝，所填充的金属为金，或者为银，或者为锗，填充金属丝的直径4在I. 7微米到2微米之间。由于采用上述技术方案，本发明提供的一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，与现有技术相比，本发明的有益效果是在光纤系统中使用，可以实现在不同波长点的偏振分束滤波功能。本发明可以分别在I. 125微米和I. 275微米处实现y偏振方向和X偏振方向的滤波功能。通过适当的选择填充金属丝的尺寸，可以实现不同波长处的滤波效果。本发明通过适当的选择填充金属丝的尺寸，可以实现I. 3微米附近通信波段的偏振分束滤波功能。这种光纤滤波器易于与光纤系统集成，以适应光学系统小型化、集成化发展，并且对于偏振分束滤波和传感技术的发展有重要意义。一
图I是本发明第一实施例的光纤截面示意 图2是本发明第一实施例的光纤的色散关系 图3是本发明第一实施例的光纤的传输损耗 图4是本发明第二实施例的光纤截面示意图。二具体实施例方式 为了更详细地说明本发明，下面结合附图具体描述本发明的工作原理及此类光纤的各种实施例。实施例I
如图I所示，一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，它是由纤芯I，背景材料2，包层大空气孔3、4、小空气孔5和填充金属丝6构成，背景材料2为石英材料，其包层空气孔均匀地分布在三角形阵列的各个结点上，中心空气孔缺失构成芯区，两正交偏振方向不同大小的空气孔形成光纤高双折射区最内层沿某一偏振方向(X)的两个较大空气孔4直径D为2. 6微米，沿与其正交的偏振方向(y)的最内层和第三层的八个小空气孔5直径式为I微米，其它各空气孔3直径^/为I. 9微米，相邻两空气孔之间的孔间距」为2. 4微米，光纤第二层空气孔沿y偏振方向的空气孔6处填充一根金纳米丝，所填充金属丝的直径4为I. 7微米。图2所示为本实施例的光纤的色散关系图，曲线A、B分别为光纤的y偏振方向和X偏振方向的基模有效折射率随波长的变化，曲线(Tl为金纳米丝各阶表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)模式有效折射率随波长的变化,其中C为零阶SPP模式，D、E分别为一阶y，X方向SPP模式，F、G分别为二阶y，x方向SPP模式，H、I分别为三阶y，x方向SPP模式。光子晶体光纤中的传导光由于受到光纤包层周期性结构的限制以一定的传输模式在光纤中传输。在金属填充光子晶体光纤中，当光纤中光传导模式和金属SPP模式相位匹配时，纤芯中的传导光会强烈地耦合到金属表面，使光以等离子体激元的形式在金属丝表面传输。也就是说，在光纤传导模式色散曲线与金属SPP模式色散曲线的交点波长附近，传导光会从纤芯强烈地耦合到金属丝表面，从而实现金属填充光纤的滤波功能。对于普通的对称型金属填充光子晶体光纤，x，y两正交偏振方向的滤波响应波长通常在同一波长点，因此不能很好的满足偏振滤波器件的需求。本发明在波长I. 55微米处光纤双折射强度为0. 00221。受光纤双折射影响，金属SPP两偏振方向模式也表现出一定的双折射效应。因此，光纤两偏振方向的滤波响应发生在不同的波长位置。其中，以二阶SPPs共振响应的分束效应最为明显。图3所示为本实施例的光纤传输损耗图。曲线J、K分别为光纤y, X两偏振方向的传输损耗 。从图3中可以看出，光纤传输模式与金属二阶SPPs共振响应可以实现良好的偏振分束滤波功能。实施例2:
如图4所示，一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，它是由纤芯I'，背景材料2'，包层大空气孔3'、4'、小空气孔5'和填充金属丝6'构成，背景材料2，为石英材料，其包层空气孔均匀的分布在三角形阵列的各个结点上，中心空气孔缺失构成芯区，两正交偏振方向不同大小的空气孔形成光纤高双折射区最内层沿某一偏振方向(X')的两个较大空气孔4'直径为2.6微米，沿与其正交的偏振方向(y')的最内层和第三层八个小空气孔5'直径为I微米。该光纤其它各空气孔3'直径V为1.9微米，相邻两空气孔之间的孔间距」z为2. 4微米，光纤第二层空气孔沿y'偏振方向的两个空气孔6'处各填充一根金纳米丝，所填充金属丝的直径式z为1.7微米。由于填充的两根金属丝对称的分布在光纤纤芯的上侧和下侧空气孔，两金属丝表面的SPP模式不会相互作用而形成SPP超模，因此，与实施例I相比，本实施例增加了滤波响应的强度，并不影响响应波长的位置，可以实现图3所示响应波长点更强的偏振分束滤波功能。
权利要求
1.一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，它是由纤芯(1)，背景材料(2)，包层大空气孔(3)、(4)、小空气孔(5)和填充金属丝(6)构成，其特征在于所述的包层空气孔为均匀的正三角形阵列分布，其中心空气孔缺失构成芯区，两正交偏振方向不同大小的空气孔形成光纤高双折射区，第二层空气孔中选择性填充一根或两根金属丝，所述光纤的背景材料为石英材料。
2.根据权利要求I的一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，其特征在于所述的两正交偏振方向不同大小的空气孔形成光纤高双折射区，其最内层沿某一偏振方向(X)为两个较大空气孔，沿与其正交的偏振方向(y)最内层和第三层分布为八个小空气孔，最内层沿X偏振方向两个大空 气孔直径D为2. 6微米，最内层和第三层沿y偏振方向的八个小空气孔直径 < 为I微米，其它各空气孔直径^/为I. 9微米，相邻两空气孔之间的孔间距」为2. 4微米，第二层沿y偏振方向的两个空气孔处可以填充上一根或两根金属丝，所填充的金属为金，或者为银，或者为锗，填充金属丝的直径尤在I. 7微米到2微米之间。
3.根据权利要求2的一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，其特征在于光纤第二层空气孔沿y偏振方向的空气孔(6)处填充一根金丝，所填充金属丝的直径为I. 7微米。
4.根据权利要求2的一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，其特征在于光纤第二层空气孔沿I'偏振方向的两个空气孔(6)处各填充一根金丝，所填充金属丝的直径为I. 7微米。
全文摘要
本发明公开了一种金属丝填充近菱形大空气孔内包层偏振光子晶体光纤，其技术方案的要点是它是由纤芯1，背景材料2，包层大空气孔3、4、小空气孔5和填充金属丝6构成，所述的包层空气孔为均匀的正三角形阵列分布，其中心空气孔缺失构成芯区，两正交偏振方向不同大小的空气孔形成光纤高双折射区，第二层空气孔中选择性填充一根或两根金属丝，所述光纤的背景材料为石英材料。本发明在光纤系统中使用，可以实现在不同波长点的偏振分束滤波功能。通过适当的选择填充金属丝的尺寸，可以实现不同波长处的滤波效果。这种光纤滤波器易于与光纤系统集成，以适应光学系统小型化、集成化发展。
文档编号G02B6/032GK102736168SQ20121019602
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者李曙光, 杜颖 申请人:燕山大学