石墨烯微纳光纤偏振器

1.本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种石墨烯微纳光纤偏振器。


背景技术：

2.偏振器可以使得任意偏振状态的入射光转换成为特定偏振的出射光，从而实现对入射光偏振状态的操控，可广泛应用于传感、光通信等领域；特别在光通信领域，量子通信等新类型光通信技术需要利用光的偏振态进行信息的产生和传输，传统的偏振器如利用具有各向异性吸收的材料制成的偏振片或基于双折射制成的棱镜型偏振器都不利于光学系统的集成；基于此，目前用于光通信系统中操控入射光偏振状态的偏振器件大多为基于光纤器件引入双折射效应制成的保偏光纤。
3.石墨烯是碳原子以sp2方式杂化并排列成六方对称周期性结构的二维原子晶体，具有卓越的光学、电学及热学性质；例如，石墨烯具有双极型输运特性，其载流子迁移率高达106cm
2 v-1
s-1
，远高于如硅等传统的半导体材料；在光学性质方面，其独特的线性能带结构带来了许多优异的性质，石墨烯在可见光、近红外波段的光吸收率为2.3％/层，使其在光通信领域具有极大发展前景；2011年有研究团队提出了一种基于石墨烯的光纤偏振器：石墨烯被设置在侧剖光纤的表面，当一束圆偏振光入射时，由于石墨烯与光的相互作用，垂直于石墨烯表面的偏振光分量损耗很大，而平行于石墨烯表面的偏振光分量损耗较小而得以通过，最终输出一束偏振方向平行于石墨烯表面的偏振光，这表明了石墨烯具有偏振选择吸收性；这是被报导的第一个利用石墨烯结合光纤制成的光纤偏振器件，为石墨烯结合微纳光纤用以制成新型光纤偏振器件提供了基础。
4.微纳光纤是一类具有微结构的光纤，包括沿着光纤长度方向上排列一些空气孔；本发明涉及的微纳光纤，在一个实心的二氧化硅纤芯周围引入低折射率的空气孔，可使得光被主要限制在纤芯内传播；这种微纳光纤对于空气孔的排布要求并不严苛，因此具有较大的设计空间，可以通过调整空气孔的形状、大小来实现无截止单模、大模场面积以及可调节色散等优异功能；因此，改变这种微纳光纤在某一方向上的空气孔形状，如将原本的圆形空气孔改为矩形形状，将导致这种微纳光纤在横向和纵向上的结构不对称，从而提高其双折射效应；同时，如果在改变了形状的空气孔中设置石墨烯，由于石墨烯不改变微纳光纤中原本的传输模式且具有偏振吸收不对称性，则可以实现一种高双折射、高消光比、不破坏光纤结构、不破坏光原本传输模式、宽工作波段(1260nm～2000nm)、易集成的高效偏振器。


技术实现要素：

5.(一)本发明要解决的技术问题：
6.传统的偏振器如利用具有各向异性吸收的材料制成的偏振片或基于双折射制成的棱镜型偏振器均不利于光学系统的集成；本发明提供了一种石墨烯微纳光纤偏振器，基于微纳光纤，在其二氧化硅纤芯周围引入低折射率的空气孔，可使得光被主要限制在纤芯内传播；通过改变空气孔的形状，使得微纳光纤在横向和纵向上的结构不对称，从而提高其
双折射效应；同时在改变了形状的空气孔中设置石墨烯，以实现一种高双折射、高消光比、不破坏光纤结构、不破坏光原本传输模式、宽工作波段、易集成的高效偏振器。
7.(二)为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.石墨烯微纳光纤偏振器，包括微纳光纤，所述微纳光纤内设置有实心的二氧化硅纤芯，所述微纳光纤内开设有若干空气孔，所述空气孔包括圆形空气孔和矩形空气孔，所述矩形空气孔内设置有石墨烯薄膜。
9.优选的，所述空气孔环绕在二氧化硅纤芯周围并呈周期分布，形成一个等效的光纤包层。
10.优选的，所述矩形空气孔对称设置在二氧化硅纤芯两侧的横向位置上。
11.优选的，所述石墨烯薄膜设置在矩形空气孔的两条对边处。
12.优选的，所述石墨烯薄膜的厚度为1层～2000层不等。
13.优选的，石墨烯微纳光纤偏振器的使用方法，包括如下步骤：
14.a1、具有任意偏振态的入射光在微纳光纤中传播，由于空气孔环绕二氧化硅纤芯周围周期分布等效于微纳光纤的包层，使入射光被限制在微纳光纤的二氧化硅纤芯中传播；
15.a2、入射光在传播过程中，二氧化硅纤芯中的部分光会进入周围的空气孔中，并迅速衰减，形成倏逝波；
16.a3、倏逝波与空气孔中的石墨烯薄膜发生相互作用，对微纳光纤中传导的光造成吸收损耗；
17.a4、同时，石墨烯微纳光纤偏振器吸收偏振方向平行于石墨烯表面的线偏振光，使得传导光的横向偏振方向分量损耗至零，而纵向偏振方向的分量则几乎不受影响得以正常通过，由此实现偏振滤波。
18.(三)本发明的有益效果包括以下四点：
19.(1)本发明通过改变微纳光纤在某一方向上的空气孔形状，将原本的圆形空气孔改为矩形空气孔，使得微纳光纤在横向和纵向上的结构不对称，从而提高其双折射效应。
20.(2)本发明通过在改变了形状的矩形空气孔中设置有石墨烯薄膜，由于石墨烯薄膜不改变微纳光纤中原本的传输模式且具有偏振吸收不对称性，因此可以实现一种高双折射、高消光比、不破坏光纤结构、不破坏光原本传输模式、宽工作波段且易集成的高效偏振器。
21.(3)本发明中的石墨烯微纳光纤偏振器，由于石墨烯对于光的吸收具有偏振选择性，因此其吸收偏振方向平行于其表面的线偏振光，使得传导光的横向偏振方向分量损耗至零，而纵向偏振方向的分量则几乎不受影响得以正常通过，由此实现偏振滤波。
22.(4)本发明提供的石墨烯微纳光纤偏振器，与光纤光路系统耦合方便，工作频带宽，消光比高，可广泛用于光纤通信和光纤传感等领域。
附图说明
23.图1为本发明提出的石墨烯微纳光纤偏振器的结构示意图；
24.图2为本发明提出的石墨烯微纳光纤偏振器的工作示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.实施例1：
27.请参阅图1，石墨烯微纳光纤偏振器，包括微纳光纤，所述微纳光纤内设置有实心的二氧化硅纤芯，所述微纳光纤内开设有若干空气孔，所述空气孔包括圆形空气孔和矩形空气孔，所述矩形空气孔内设置有石墨烯薄膜；
28.所述空气孔环绕在二氧化硅纤芯周围并呈周期分布，形成一个等效的光纤包层；
29.所述矩形空气孔对称设置在二氧化硅纤芯两侧的横向位置上，其余空气孔设置为圆形空气孔；
30.所述石墨烯薄膜设置在矩形空气孔的两条对边处；
31.所述石墨烯薄膜的厚度为1层～2000层不等。
32.本发明提供的石墨烯微纳光纤偏振器，与光纤光路系统耦合方便，工作频带宽，消光比高，可广泛用于光纤通信和光纤传感等领域；
33.本发明涉及的微纳光纤是一类具有微结构的光纤，包括一个实心的二氧化硅纤芯，并在二氧化硅纤芯周围引入低折射率的空气孔，可使得光被主要限制在纤芯内传播；
34.这种微纳光纤对于空气孔的排布要求并不严苛，因此具有较大的设计空间，可以通过调整空气孔的形状、大小来实现无截止单模、大模场面积以及可调节色散等优异功能；因此，本发明通过改变这种微纳光纤在某一方向上的空气孔形状，将原本的圆形空气孔改为矩形空气孔，将导致这种微纳光纤在横向和纵向上的结构不对称，从而提高其双折射效应；同时，本发明通过在改变了形状的矩形空气孔中设置有石墨烯薄膜，由于石墨烯薄膜不改变微纳光纤中原本的传输模式且具有偏振吸收不对称性，因此可以实现一种高双折射、高消光比、不破坏光纤结构、不破坏光原本传输模式、宽工作波段(1260nm～2000nm)且易集成的高效偏振器。
35.实施例2：
36.基于实施例1又有所不同的是：石墨烯微纳光纤偏振器的具体结构特征如下：
37.(1)在微纳光纤的基础上，将其靠近二氧化硅纤芯处的横向空气孔更改为矩形空气孔；
38.(2)在所述矩形空气孔的上下两条对边处设置连续的单层或多层石墨烯薄膜，从而得到石墨烯微纳光纤偏振器；
39.利用comsol multiphysics软件采用有限元法对本发明提出的结构进行仿真模拟计算，得到te模式和tm模式的折射率差为1.69
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10-3
，消光比为32.02db/mm(仿真条件为：入射光波长为1550nm；空气孔直径为1μm，空气孔间距为1.55μm；石墨烯层数为10层并添加在矩形孔的上下两条对边处，费米能级为0ev)；
40.在可见光、近红外波段，石墨烯对于偏振方向平行于其表面平面的线偏振光的吸收损耗远大于其他偏振方向的线偏振光；因此，微纳光纤纤芯周围的横向空气孔需要改为矩形形状，并在横向边处设置有石墨烯薄膜，以保证石墨烯对于偏振方向平行于其表面平
面的线偏振光的吸收损耗；为了保证石墨烯的偏振吸收效果，圆形空气孔中不布置石墨烯层，仅在矩形孔内设置石墨烯层。
41.实施例3：
42.基于实施例1-2又有所不同的是：石墨烯微纳光纤偏振器的使用方法，包括如下步骤：
43.(1)具有任意偏振态的入射光在微纳光纤中传播，由于空气孔环绕二氧化硅纤芯周围周期分布等效于微纳光纤的包层，使入射光被限制在微纳光纤的二氧化硅纤芯中传播；
44.(2)根据光纤导光的全反射原理，入射光在传播过程中，二氧化硅纤芯中的部分光会进入其周围的空气孔中，并迅速衰减，形成倏逝波；
45.(3)由于微纳光纤的二氧化硅纤芯周围的矩形空气孔中设置有石墨烯薄膜，倏逝波与空气孔中的石墨烯薄膜可以发生相互作用，对微纳光纤中传导的光造成吸收损耗；
46.(4)同时，由于石墨烯对于不同偏振状态下的光的吸收损耗相差很大，即石墨烯对于光的吸收具有偏振选择性，因此石墨烯微纳光纤偏振器吸收偏振方向平行于其表面的线偏振光，使得传导光的横向偏振方向分量损耗至零，而纵向偏振方向的分量则几乎不受影响得以正常通过，由此实现偏振滤波；
47.如图2所示，一束偏振态为圆偏振的入射光进入本发明中的石墨烯微纳光纤偏振器中，由于石墨烯的偏振吸收不对称性与高消光比，得到一束偏振态为线偏振的出射光。
48.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。