CN102591039A - 石墨烯薄膜-d型光纤宽带光偏振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及本发明涉及光通信技术领域，提供了一种石墨烯薄膜-D型光纤宽带光偏振器，其主旨在于提供一种尺寸微小、制备简便、消光比高、工作频带宽、无需外加能源、可直接集成在光纤上的石墨烯薄膜-D型光纤复合结构的宽带光偏振器。其是在光纤上侧切一个深度到达纤芯的D型槽并在平面上覆盖石墨烯薄膜而成，其表面用低折射率紫外胶封装。光纤一段输入任意偏振态的光信号，经过石墨烯作用区域后，在光纤另一端输出线高消光比的偏振光。该调制器能直接耦合进入光纤***，能实现消光比20dB的偏振控制。

Description

石墨烯薄膜-D型光纤宽带光偏振器
技术领域
本发明涉及光通信及其传感传输技术领域。提供了一种无源的光信号偏振控制装置，能凭借石墨烯材料的特殊导波性质实现线偏振光的产生。 
背景技术
在当代光通信和传感技术的应用中，光信号的质量是影响***性能的一个重要因素。其中，偏振态是决定光信号质量的一个核心参量。在光纤等光波导中，由于弯曲和散射等效应，使激光产生不同的偏振态，材料对不同的偏振光存在不同的衰减、色散和非线性效应，对光信号的质量产生可观的影响。为保证传输质量，必须对光信号的偏振态进行选择和稳定，在宽带光通信网和高精度光传感***中，光学起偏器已经成为一种必不可少的元件。基于弯曲致偏效应，高分子阻透效应，选择性反射效应和选择性衰减吸收效应等，人们制备出各种光学偏振器件。 
光学偏振器分为有源和无源两种。传统的有源偏振器主要利用某些晶体有效折射率随外加电场强度改变而改变的特性，使光产生两个强度不同的垂直偏正态，以其中强度大的作为主偏振态。传统的无源偏振器遵从马吕斯定律，通过材料对不同偏振光的透射率，输出特定方向的偏振光。无源偏振技术结构简单，故障率低，能耗小，便于全光网络集成，应用比有源偏振器更加广泛。当前，商用的无源偏振器主要有基于硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜等双向色性有机物的偏振片，基于机械拉伸弯曲散射效应的光纤偏振环和基于部分反射的光栅偏振器等。 
但是，传统的无源偏振器存在诸多局限性，影响其在光通信传感领域的进一步应用。首先，基于双向色性有机物的偏振片尺寸较大，一般为厘米量级，且其起偏方式为垂直透射，只适合在透镜光路中使用，不适合集成入光纤***；第二，机械拉伸式光纤偏振控制器依靠人工操作起偏，精度差，稳定性低，随机性大，且额外耦入偏振环会给***带来额外的***损耗和时延，甚至产生谐振，引入复杂的噪声；第三，基于光纤光栅的偏振器精度虽高，但制备工艺复杂，成本高昂，调试耗时，而且有较大衰减，不利于应用在微弱信号环境中。 
为解决以上问题，提升光纤***用偏振器的起偏质量和***稳定性，缩小器件尺寸便于集成化，一种新的无源光学起偏器亟待研究。石墨烯材料作为一种新的碳原子结构二维平面材料，具有独特的平面波导特性。单层石墨烯厚度仅为一个碳原子大小（~10nm），化学性质稳定，具有强导电性和导光性。与传统平面波导不同，石墨烯结构的复电导率虚部为负数，使其可以高效传播TE模式，相对阻滞TM模式。全偏振光在石墨烯表面传播时，由于其二维平面特性，垂直于石墨烯的偏振态迅速衰减，表现为被吸收；平行于石墨烯平面的偏振态在其腹地弹道率正虚部的影响下，以TE模式为主进行传播，衰减量极小，表现为被导通。在通过足够长的一段石墨烯波导后，平行于石墨烯平面的偏振模强度大大强于垂直方向的偏振模，故而实现了偏振器功能。而且，石墨烯平面层可以制备在任何尺寸、形态和绝大多数材质的波导表面，能实现与光纤传输***的直接结合。 
相比于传统的偏振器件，石墨烯薄膜-D型光纤复合结构偏振器具有明显的特点和优势。第一，工艺简便，集成性好，可以直接在光纤纤体上制备，与一段光纤融为一体，不作为单独的光学器件耦合进入光路。传统偏振器的***损耗一般为3-10dB，且存在***相位失配噪声，这种石墨烯-光纤复合结构偏振器避免了这种***损耗和失配噪声，在光纤通信***传输距离和光纤传感***测试精度上意义重大。第二，尺寸微小，特别是石墨烯作用区域很小。传统的偏振器尺寸一般为几个厘米到几十个厘米，而石墨烯薄膜-D型光纤结构偏振器直径为光纤大小，长度为几个毫米。更小的尺寸带来更高的***兼容性和更低的制备成本。第三，工作稳定，抗噪声和干扰能力强。传统有源偏振器需要引入额外能量，势必带来随机因素和干扰，引入***误差，传统无源偏振器一般利用材料和结构影响光的散射、传播路径和反射率，有的化学结构欠稳定，有的机械构造易形变，等等。石墨烯薄膜-D型光纤复合结构的偏振器件结构紧凑，工作物质石墨烯化学稳定，杂向散射微弱，封装后不易受到外界干扰，能保持偏振态控制的长时间高度稳定，不会出现偏振方向的变化。第四，起偏精度高，对不同方向的偏振态过滤比较彻底。传统的偏振器在应用到光纤***中时，偏振态之间的最大消光比一般为10dB左右，石墨烯薄膜-D型光纤复合结构的偏振器在部分波段，消光比可达20dB，更加便于检测。第四，适用带宽大，应用潜力强。石墨烯薄膜-D型光纤结构的偏振器适用于400nm-1550nm的波长范围，突破了传统偏振器件选频效应的限制，可以实现从近紫外光到远红外光的宽带起偏功能。 
发明内容
本发明的目的在于为了克服传统偏振器损耗高、体积大、应用面狭窄、制备成本高、带宽窄、抗干扰能力弱等缺点，提供一种能够实现高速精确的偏振控制的石墨烯薄膜-D型光纤宽带光偏振器。 
本发明为实现上述目的采用以下技术方案： 
一种基于石墨烯薄膜-D型光纤的宽带光偏振器，其特征在于：包括光纤、石墨烯薄膜层、和封装胶，所述光纤侧面上设置有D型槽，所述D型槽底部紧贴光纤的纤芯，D型槽底部覆盖至少一层石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜紧贴光纤的纤芯，所述D型槽通过封装胶封装。
所述D型槽通过沿光纤侧面研磨或切割方式获得，所述D型槽通过沿光纤侧面研磨或切割方式获得，所述研磨或切割深度为刚好是光纤直径的一半，即研磨或切割到纤芯的一半，所述D型槽底面切口平整，槽体长度约为5mm。 
该基于石墨烯薄膜-D型光纤的宽带光偏振器工作频段为从可见光到远红外的频段400-1550nm，垂直偏振态之间的消光比为20dB，耦合***损耗微小。 
所述封装胶为低折射率紫外胶。 
所述光纤采用所在***的任意光纤，起耦入、耦出和基底作用；二维平面上紧密覆盖一层或几层石墨烯单质，完成光的起偏功能。 
本发明具有以下有益效果： 
一、相比于传统偏振器，本发明的技术优势是，尺寸微小，直径仅为光纤直径；结构简单，耦合方便，效率更高，直接在光纤上制作，工艺简单，损耗小，与光纤光路***直接融合；性能优越，消光比高达20dB，能应用在更高要求的小信号环境中；工作带宽大；成本低廉。
附图说明
图1是D型光纤光传输示意图。 
图2是石墨烯二维平面显微镜照片。 
图3是本偏振器的三维结构示意图。 
图4是本偏振器的横截面剖视图。 
图5是本偏振器的俯视图。 
图6a为光强衰减情况示意图； 
图6b为光强衰减情况示意图；
图3-5中，参数标号意义为：1-光纤入射端，2-石墨薄膜，3-光纤出射端，4-光纤纤芯部分，5-低折射率紫外胶，6-入端光偏振态，7-石墨烯作用区光偏振态，8-输出光偏振态。
图6(a)，图6(b)为两组不同光波段的消光比示意图，其检测标准为输出端强度（单位dBm）。 
具体实施方式
 在图3中，在一段光纤上，入射端（1）和出射端（3）之间，从光纤侧面切出一个切面平整、深度达到纤芯的切槽，其长度约为5mm，宽度约为光纤直径，并在此切面底部平铺石墨烯薄膜（2）。在实际操作中，偏振方向不固定的光信号从入射端（1）导入石墨烯薄膜（2），偏振方向随其在石墨烯薄膜上传播发生变化，最终由出射端（3）导出。图4和图5分别为俯视图和剖面图。 
本发明为“光纤侧面1/2平切-切口石墨烯覆盖”结构。在普通石英光纤包层侧面研磨或切割一段切口平整的D型槽体，槽体长度约为5mm，深度为刚好到达并接触纤芯位置。此切槽宽度几乎为光纤直径。在切槽底部平面上覆盖一层或几层石墨烯薄膜，整个结构用低折射率紫外胶封装，封装后偏振器直径不超过光纤本身10%。 
本发明利用石墨烯二维平面特殊的导波效应实现平行于石墨烯平面的TE波的高效传导，阻碍其他偏振模式，实现线偏振光的起偏。 
该偏振器工作原理为：光信号以各个偏振态在光纤中传输，到达“石墨烯薄膜-D型光纤”区域，由于此段部分光纤表面包层被削去，纤芯紧贴石墨烯薄膜，光信号以倏逝波形态沿石墨烯二维平面传播，石墨烯复介电常数性质影响表面波传导，阻碍HE模式，导通TE和TM波。受二维波导影响，垂直于石墨烯平面的TM波（垂直偏振光）衰减严重，平行与石墨烯平面的TE波（平行偏振光）传导良好，在经过石墨烯作用区域后的光体现为沿平行于石墨烯平面方向的线偏振光，从而在输出端实现偏振功能。 
相比于传统偏振器，本发明的技术优势是，尺寸微小，直径仅为光纤直径；结构简单，耦合方便，效率更高，直接在光纤上制作，工艺简单，损耗小，与光纤光路***直接融合；性能优越，消光比高达20dB，能应用在更高要求的小信号环境中；工作带宽大；成本低廉。 

Claims (4)

1.一种基于石墨烯薄膜-D型光纤的宽带光偏振器，其特征在于：包括光纤、石墨烯薄膜层、和封装胶，所述光纤侧面上设置有D型槽，所述D型槽底部紧贴光纤的纤芯，D型槽底部覆盖至少一层石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜紧贴光纤的纤芯，所述D型槽通过封装胶封装。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜-D型光纤的宽带光偏振器，其特征在于：所述D型槽通过沿光纤侧面研磨或切割方式获得，所述研磨或切割深度为刚好是光纤直径的一半，即研磨或切割到纤芯的一半，所述D型槽底面切口平整。
3.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜-D型光纤复合结构的宽带光偏振器，其性能特征是：工作频段为从可见光到远红外的频段400-1550nm，垂直偏振态之间的消光比为20dB。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜-D型光纤的宽带光偏振器，其特征在于：所述封装胶为低折射率紫外胶。
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