一种拉锥扭转型双包层等离子激发光纤器件及其制备方法与流程

1.本发明涉及的是一种拉锥扭转型双包层等离子激发光纤器件，属于光纤集成器件技术领域。


背景技术：

2.表面等离子激元(surface plasmon polaritons,spps)是光和金属表面电子共振所引发的一种电磁混合激发态。由于spp模式在垂直光传播方向上场强会发生指数性衰减，光场通常被限制在金属表面亚波长尺度内，从而突破了衍射极限。这一极具吸引力的性质为集成光学发展打开了一扇新的大门。近年来，作为纳米光学器件研究的一个分支，表面等离子激元波导成为人们的研究热点，现已有研究者提出诸如金属膜、金纳米线等离子激元波导，且都能实现亚波长尺度的光场传输。
3.junichi takahara等,首先理论上研究了圆形金纳米线、金纳米管等在电介质中的spp传输，并提出此类波导突破衍射极限将电磁场能量束缚在亚波长尺度范围内并传输(junichi takahara,suguru yamagishi,hiroaki taki et al.guiding of a one
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dimensional optical beam with nanometer diameter,opt.lett.,1997,22(7):475～477)。此后，研究者提出各种类型的spp波导以期能在稳定偏振态下获得小模场宽度和长传输距离的传输模。比如金属沟道型spp波导，脊型spp波导，间隙性spp波导等。berini等人发现将金膜嵌入单电介质当中，当金膜厚度在十几纳米时，某些特殊传输模式，即类线偏振长程spp模，其传输长度可以达到10mm以上(berini,pierre.plasmon
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polariton modes guided by a metal film of finite width.optics letters,1999,24(15):1011
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1013)。jesper jung等在此基础上提出了基于正方形金纳米线spp波导，期望未来用于集成光学器件的互联通信。金属纳米管同样有着良好的利用前景，因为结构空心而表现出与实心金属不一样的性质(kohl,jesse；fireman,micha；o’lcarroll,deirdre m.surface plasmon and photonic mode propagation in gold nanotubes with varying wall thickness.physical review b,2011,84(23):235118.)。
4.普通光纤类型，比如多种高折射率光纤，并不能突破衍射极限。但光纤具有的柔性结构以及多重优良性质，使得光纤传感有着独特的优势。而spp的研究和应用越来越广泛，但在光纤中的应用很少。利用spp模式电磁场能量束缚能力强、可保持稳定偏振态、对介质折射率变化敏感，纳米金属结构可同时通电传光等优点，若能够制备成spp等离子波和传统光纤混合集成的特种光纤，则除了兼具spp和普通光纤优良特性的同时，还可与普通光纤互联，易形成新型光电器件，应用于多个领域。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种拉锥扭转型双包层等离子激发光纤器件及其制备方法。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.一种拉锥扭转型双包层等离子激发光纤器件，其结构如图1所示，它由一段内包层嵌有纳米金属管的双包层光纤1，插入石英管2绝热拉锥至预设直径后，均匀扭转拉丝，得到一段具有螺旋金属纳米管的等离子激发光纤3；在绝热拉锥的过程中，纤芯逐渐变细，将不再能够束缚住光波，因此，单模光波由纤芯内逐渐绝热转换到具有金属纳米管的内包层内传输；内包层内的螺旋金属纳米管在光波的传输过程中被分布式激发等离子波，形成光波和等离子波混合的光纤器件。该器件的尾纤3的3d结构如图2所示，其包括包层3
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1，纤芯3
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2以及螺旋金属纳米管3
‑
3。
8.所述的双包层光纤1具有单模纤芯、内包层和外包层，其中内包层内嵌有n根金属纳米管，n为正整数。
9.如图3所示，所述的双包层光纤的制备方法为：
10.(1)首先，采用pcvd预制棒制备技术，在石英管4内依次沉积内包层和纤芯后，高温缩棒，制备一个双包层光纤的预制棒5；
11.(2)采用超声打孔技术，在双包层光纤预制棒的内包层上打n个通孔，n为正整数；
12.(3)取n根石英细棒，采用等离子体清洗技术，将石英细棒表面清洗干净并改性，再在其表面均匀镀上一层金属膜形成预制插件6，然后分别插入内包层的通孔内；
13.(4)将双包层光纤预制棒和孔内镀有金属膜的石英棒高温缩棒，形成一根预制棒7后，装在光纤拉丝塔上拉纤，制备内包层嵌有纳米金属管的双包层光纤1。
14.制备成的双包层光纤的纤芯和内包层形成单模波导结构，能够和标准单模光纤8模场匹配，并可直接熔接。
15.如图4所示，一种拉锥扭转型双包层等离子激发光纤器件的制备方法：
16.步骤1：取一根内包层嵌有纳米金属管的双包层光纤1，将双包层光纤1的一端熔接单模光纤8；
17.步骤2：双包层光纤1另一端剥去涂覆层后插入石英管2内部，高温下缩棒，去除双包层光纤1和石英管2间的间隙，使二者融为一体并且二者之间无气泡；
18.步骤3：高温下缩棒后的石英管拉锥，形成绝热锥体，直至锥体的直径达到预设的光纤直径后，保持直径旋转拉丝，制备一段纤芯中含有n根螺旋金属纳米管的光波和等离子波混合光纤；
19.步骤4：将光波和等离子波混合光纤涂敷，保留绝热锥体和输入双包层光纤，并将绝热锥体使用钢管封装，得到光波和等离子波混合的光纤器件。
20.如图5所示，以z轴方向传播，x轴方向偏振的光束输入为例，光束在输入光波与表面等离子波混合集成光纤的纤芯中后，会在螺旋分布的金属纳米管上分布式激发出表面等离子波，其光波和表面等离子波耦合激发原理可简单描述如下：
21.如图6所示，螺旋的金属纳米线在xoz面的投影为正弦曲线型，其与光波的波矢相交于多个点，并且波矢方向与正弦曲线的切线方向的夹角为θ。当光波波矢沿着z轴方向传输时，其沿金属纳米线切线方向的波矢可以表示为：ε
core
为纤芯的介电常数，ω为光波的角频率，c为光波在真空中的传播速度。对于金属纳米线表面产生的表面等离子波的波矢有：
ε
m
为金属纳米线的介电常数。
22.那么光波与表面等离子波发生耦合的条件是：
23.因此，只有当金属纳米线的切线方向与光束传输方向在满足一定的夹角关系的时候，光波和表面等离子体波才能发生耦合，故在混合集成光纤内部，偏振光对金属纳米线的激发是分布式的。
24.可选地，当n＝1时，光波和等离子波混合的光纤器件尾纤的纤芯内部具有一条金属纳米管，在双包层光纤一端匹配熔接标准单模光纤，并向标准单模光纤中输入光波，光波在绝热锥区转换到内包层传输，在螺旋的金属纳米管上分布式激发等离子波，可实现光波和等离子波之间的高效耦合转换。
25.优选地，当n＝2时，光波和等离子波混合的光纤器件尾纤的纤芯内部具有两条螺旋金属纳米管，通过控制拉锥参数，使两条金属纳米管靠近和分离，可在光纤内部构造等离子波分束/合束器和m
‑
z型的等离子波干涉仪等新型混合波导器件。
26.与在先技术相比，本发明的有益效果在于：
27.(1)将螺旋的等离子波导集成到光纤的纤芯内部，有助于实现等离子波的高效激发。同时实现了光波于等离子波的共传，这种混合波导光纤器件可构建新型光电器件。
28.(2)实现了器件一体化制备，器件的输入端是双包层光纤，该光纤能够和标准单模光纤低损耗熔接，能够高效、充分地实现光波和等离子波之间的转换。
附图说明
29.图1是拉锥扭转型双包层等离子激发光纤器件的结构图。
30.图2是具有螺旋金属纳米管的等离子激发双波导光纤器件尾纤三维结构图。
31.图3是内包层嵌有纳米金属管的双包层光纤的制备方法流程图。
32.图4是拉锥扭转型双包层等离子激发光纤器件的制备方法流程图。
33.图5是表面等离子分布式激发混合波导光纤的分布式激发示意图，其中入射光为x偏振的线偏光。
34.图6是螺旋的金属纳米线在xoz面的投影与光波矢的相交，并分布式激发转换为spp波的示意图。
35.图7(a)、(b)分别是双包层光纤在拉锥前、后的光纤端面结构图。
36.图8是在光纤内部构造等离子波分束/合束器和m
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z型的等离子波干涉仪等新型混合波导器件的结构图。
具体实施方式
37.下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
38.选用如图7(a)所示的双包层光纤1，其包层直径d1＝125um，内包层1
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1直径d2＝50um，纤芯1
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2直径d3＝10um，嵌入内包层的一对金纳米管1
‑
3的偏芯距d4＝15um，金纳米管
1
‑
3的直径5um，金膜膜厚250nm。将该双包层光纤1插入内径为127um，外径635um石英管内。
39.如图4所示，取一根内包层嵌有纳米金属管的双包层光纤1，将其一端熔接单模光纤8，另一端剥去涂覆层后插入石英管2内部，高温下缩棒，去除双包层光纤1和石英管2间的间隙，使二者融为一体并且二者之间无气泡。将组装好的石英管2放置在制备系统的夹具9上，打开加热子10，将温度提升至1600℃，采用同向拉锥技术，调节送棒位移台11
‑
1和拉纤位移台11
‑
2的速度差，将石英管2拉锥，直至锥腰直径达到125um后保持该直径拉纤，同时开启旋转位移台，在拉纤的同时保证位移台旋转，从而制备出具有螺旋金纳米管的光波与等离子波共传的特种光纤尾纤。
40.使用涂敷装置12涂敷尾纤并固化，采用钢管13将锥体部分封装，得到一体化的光波和等离子波混合共传光纤及连接器件。其中光纤尾纤的端面结构如图7(b)所示，石英管由直径635um变细，形成新的光纤包层d1＝125um，内包层由d2＝50um变细形成新的纤芯d2＝10um。原本嵌在内包层中的金纳米管也在拉锥后微缩到纤芯中，金纳米管的直径变为1um，壁厚变为50nm。
41.进一步地，在尾纤拉制的过程中，控制光纤旋转和拉锥速度，可以制备出如图8所示的干涉仪结构。该尾纤的纤芯内部具有两条螺旋金属纳米管3
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3，通过控制拉锥参数，使两条金属纳米管靠近和分离，可在光纤内部构造等离子波分束/合束器和m
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z型的等离子波干涉仪等新型混合波导器件。
42.在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。