專利名稱：石墨烯薄膜-d型光纖寬帶光偏振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信及其傳感傳輸技術(shù)領(lǐng)域。提供了一種無源的光信號偏振控制裝置，能憑借石墨烯材料的特殊導(dǎo)波性質(zhì)實(shí)現(xiàn)線偏振光的產(chǎn)生。
背景技術(shù)：
在當(dāng)代光通信和傳感技術(shù)的應(yīng)用中，光信號的質(zhì)量是影響系統(tǒng)性能的一個重要因素。其中，偏振態(tài)是決定光信號質(zhì)量的一個核心參量。在光纖等光波導(dǎo)中，由于彎曲和散射等效應(yīng)，使激光產(chǎn)生不同的偏振態(tài)，材料對不同的偏振光存在不同的衰減、色散和非線性效應(yīng)，對光信號的質(zhì)量產(chǎn)生可觀的影響。為保證傳輸質(zhì)量，必須對光信號的偏振態(tài)進(jìn)行選擇和穩(wěn)定，在寬帶光通信網(wǎng)和高精度光傳感系統(tǒng)中，光學(xué)起偏器已經(jīng)成為一種必不可少的元件。 基于彎曲致偏效應(yīng)，高分子阻透效應(yīng)，選擇性反射效應(yīng)和選擇性衰減吸收效應(yīng)等，人們制備出各種光學(xué)偏振器件。光學(xué)偏振器分為有源和無源兩種。傳統(tǒng)的有源偏振器主要利用某些晶體有效折射率隨外加電場強(qiáng)度改變而改變的特性，使光產(chǎn)生兩個強(qiáng)度不同的垂直偏正態(tài)，以其中強(qiáng)度大的作為主偏振態(tài)。傳統(tǒng)的無源偏振器遵從馬呂斯定律，通過材料對不同偏振光的透射率， 輸出特定方向的偏振光。無源偏振技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，能耗小，便于全光網(wǎng)絡(luò)集成，應(yīng)用比有源偏振器更加廣泛。當(dāng)前，商用的無源偏振器主要有基于硫酸碘奎寧、電氣石或聚乙烯醇薄膜等雙向色性有機(jī)物的偏振片，基于機(jī)械拉伸彎曲散射效應(yīng)的光纖偏振環(huán)和基于部分反射的光柵偏振器等。但是，傳統(tǒng)的無源偏振器存在諸多局限性，影響其在光通信傳感領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。首先，基于雙向色性有機(jī)物的偏振片尺寸較大，一般為厘米量級，且其起偏方式為垂直透射，只適合在透鏡光路中使用，不適合集成入光纖系統(tǒng)；第二，機(jī)械拉伸式光纖偏振控制器依靠人工操作起偏，精度差，穩(wěn)定性低，隨機(jī)性大，且額外耦入偏振環(huán)會給系統(tǒng)帶來額外的插入損耗和時延，甚至產(chǎn)生諧振，引入復(fù)雜的噪聲；第三，基于光纖光柵的偏振器精度雖高，但制備工藝復(fù)雜，成本高昂，調(diào)試耗時，而且有較大衰減，不利于應(yīng)用在微弱信號環(huán)境中。為解決以上問題，提升光纖系統(tǒng)用偏振器的起偏質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性，縮小器件尺寸便于集成化，一種新的無源光學(xué)起偏器亟待研究。石墨烯材料作為一種新的碳原子結(jié)構(gòu)二維平面材料，具有獨(dú)特的平面波導(dǎo)特性。單層石墨烯厚度僅為一個碳原子大小Γ Οηπι)， 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有強(qiáng)導(dǎo)電性和導(dǎo)光性。與傳統(tǒng)平面波導(dǎo)不同，石墨烯結(jié)構(gòu)的復(fù)電導(dǎo)率虛部為負(fù)數(shù)，使其可以高效傳播TE模式,相對阻滯TM模式。全偏振光在石墨烯表面?zhèn)鞑r，由于其二維平面特性，垂直于石墨烯的偏振態(tài)迅速衰減，表現(xiàn)為被吸收；平行于石墨烯平面的偏振態(tài)在其腹地彈道率正虛部的影響下，以TE模式為主進(jìn)行傳播，衰減量極小，表現(xiàn)為被導(dǎo)通。在通過足夠長的一段石墨烯波導(dǎo)后，平行于石墨烯平面的偏振模強(qiáng)度大大強(qiáng)于垂直方向的偏振模，故而實(shí)現(xiàn)了偏振器功能。而且，石墨烯平面層可以制備在任何尺寸、形態(tài)和絕大多數(shù)材質(zhì)的波導(dǎo)表面，能實(shí)現(xiàn)與光纖傳輸系統(tǒng)的直接結(jié)合。
相比于傳統(tǒng)的偏振器件，石墨烯薄膜-D型光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)偏振器具有明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢。第一，工藝簡便，集成性好，可以直接在光纖纖體上制備，與一段光纖融為一體，不作為單獨(dú)的光學(xué)器件稱合進(jìn)入光路。傳統(tǒng)偏振器的插入損耗一般為3-10dB,且存在插入相位失配噪聲，這種石墨烯-光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)偏振器避免了這種插入損耗和失配噪聲，在光纖通信系統(tǒng)傳輸距離和光纖傳感系統(tǒng)測試精度上意義重大。第二，尺寸微小，特別是石墨烯作用區(qū)域很小。傳統(tǒng)的偏振器尺寸一般為幾個厘米到幾十個厘米，而石墨烯薄膜-D型光纖結(jié)構(gòu)偏振器直徑為光纖大小，長度為幾個毫米。更小的尺寸帶來更高的系統(tǒng)兼容性和更低的制備成本。第三，工作穩(wěn)定，抗噪聲和干擾能力強(qiáng)。傳統(tǒng)有源偏振器需要引入額外能量，勢必帶來隨機(jī)因素和干擾，引入系統(tǒng)誤差，傳統(tǒng)無源偏振器一般利用材料和結(jié)構(gòu)影響光的散射、 傳播路徑和反射率，有的化學(xué)結(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定，有的機(jī)械構(gòu)造易形變，等等。石墨烯薄膜-D型光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)的偏振器件結(jié)構(gòu)緊湊，工作物質(zhì)石墨烯化學(xué)穩(wěn)定，雜向散射微弱，封裝后不易受到外界干擾，能保持偏振態(tài)控制的長時間高度穩(wěn)定，不會出現(xiàn)偏振方向的變化。第四，起偏精度高，對不同方向的偏振態(tài)過濾比較徹底。傳統(tǒng)的偏振器在應(yīng)用到光纖系統(tǒng)中時，偏振態(tài)之間的最大消光比一般為IOdB左右，石墨烯薄膜-D型光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)的偏振器在部分波段， 消光比可達(dá)20dB，更加便于檢測。第四，適用帶寬大，應(yīng)用潛力強(qiáng)。石墨烯薄膜-D型光纖結(jié)構(gòu)的偏振器適用于400nm-1550nm的波長范圍，突破了傳統(tǒng)偏振器件選頻效應(yīng)的限制，可以實(shí)現(xiàn)從近紫外光到遠(yuǎn)紅外光的寬帶起偏功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了克服傳統(tǒng)偏振器損耗高、體積大、應(yīng)用面狹窄、制備成本高、帶寬窄、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高速精確的偏振控制的石墨烯薄膜-D 型光纖寬帶光偏振器。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用以下技術(shù)方案
一種基于石墨烯薄膜-D型光纖的寬帶光偏振器，其特征在于包括光纖、石墨烯薄膜層、和封裝膠，所述光纖側(cè)面上設(shè)置有D型槽，所述D型槽底部緊貼光纖的纖芯，D型槽底部覆蓋至少一層石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜緊貼光纖的纖芯，所述D型槽通過封裝膠封裝。所述D型槽通過沿光纖側(cè)面研磨或切割方式獲得，所述D型槽通過沿光纖側(cè)面研磨或切割方式獲得，所述研磨或切割深度為剛好是光纖直徑的一半，即研磨或切割到纖芯的一半，所述D型槽底面切口平整，槽體長度約為5mm。該基于石墨烯薄膜-D型光纖的寬帶光偏振器工作頻段為從可見光到遠(yuǎn)紅外的頻段400_1550nm,垂直偏振態(tài)之間的消光比為20dB,稱合插入損耗微小。所述封裝膠為低折射率紫外膠。所述光纖采用所在系統(tǒng)的任意光纖，起耦入、耦出和基底作用；二維平面上緊密覆蓋一層或幾層石墨烯單質(zhì)，完成光的起偏功能。本發(fā)明具有以下有益效果
一、相比于傳統(tǒng)偏振器，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢是，尺寸微小，直徑僅為光纖直徑；結(jié)構(gòu)簡單，耦合方便，效率更高，直接在光纖上制作，工藝簡單，損耗小，與光纖光路系統(tǒng)直接融合; 性能優(yōu)越，消光比高達(dá)20dB，能應(yīng)用在更高要求的小信號環(huán)境中；工作帶寬大；成本低廉。


圖I是D型光纖光傳輸示意圖。圖2是石墨烯二維平面顯微鏡照片。圖3是本偏振器的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本偏振器的橫截面剖視圖。圖5是本偏振器的俯視圖。圖6a為光強(qiáng)衰減情況示意圖6b為光強(qiáng)裳減情況不意圖3-5中，參數(shù)標(biāo)號意義為1_光纖入射端，2-石墨薄膜，3-光纖出射端，4-光纖纖芯部分，5-低折射率紫外膠，6-入端光偏振態(tài)，7-石墨烯作用區(qū)光偏振態(tài)，8-輸出光偏振態(tài)。圖6(a)，圖6(b)為兩組不同光波段的消光比示意圖，其檢測標(biāo)準(zhǔn)為輸出端強(qiáng)度 (單位dBm)。
具體實(shí)施例方式在圖3中,在一段光纖上，入射端(I)和出射端(3)之間,從光纖側(cè)面切出一個切面平整、深度達(dá)到纖芯的切槽，其長度約為5_，寬度約為光纖直徑，并在此切面底部平鋪石墨烯薄膜(2)。在實(shí)際操作中，偏振方向不固定的光信號從入射端(I)導(dǎo)入石墨烯薄膜(2)， 偏振方向隨其在石墨烯薄膜上傳播發(fā)生變化，最終由出射端(3)導(dǎo)出。圖4和圖5分別為俯視圖和剖面圖。本發(fā)明為“光纖側(cè)面1/2平切-切口石墨烯覆蓋”結(jié)構(gòu)。在普通石英光纖包層側(cè)面研磨或切割一段切口平整的D型槽體，槽體長度約為5mm，深度為剛好到達(dá)并接觸纖芯位置。此切槽寬度幾乎為光纖直徑。在切槽底部平面上覆蓋一層或幾層石墨烯薄膜，整個結(jié)構(gòu)用低折射率紫外膠封裝，封裝后偏振器直徑不超過光纖本身10%。本發(fā)明利用石墨烯二維平面特殊的導(dǎo)波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)平行于石墨烯平面的TE波的高效傳導(dǎo)，阻礙其他偏振模式，實(shí)現(xiàn)線偏振光的起偏。該偏振器工作原理為光信號以各個偏振態(tài)在光纖中傳輸，到達(dá)“石墨烯薄膜-D 型光纖”區(qū)域，由于此段部分光纖表面包層被削去，纖芯緊貼石墨烯薄膜，光信號以倏逝波形態(tài)沿石墨烯二維平面?zhèn)鞑?，石墨烯?fù)介電常數(shù)性質(zhì)影響表面波傳導(dǎo)，阻礙HE模式，導(dǎo)通 TE和TM波。受二維波導(dǎo)影響，垂直于石墨烯平面的TM波(垂直偏振光)衰減嚴(yán)重，平行與石墨烯平面的TE波(平行偏振光)傳導(dǎo)良好，在經(jīng)過石墨烯作用區(qū)域后的光體現(xiàn)為沿平行于石墨烯平面方向的線偏振光，從而在輸出端實(shí)現(xiàn)偏振功能。相比于傳統(tǒng)偏振器，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢是，尺寸微小，直徑僅為光纖直徑；結(jié)構(gòu)簡單，耦合方便，效率更高，直接在光纖上制作，工藝簡單，損耗小，與光纖光路系統(tǒng)直接融合； 性能優(yōu)越，消光比高達(dá)20dB，能應(yīng)用在更高要求的小信號環(huán)境中；工作帶寬大；成本低廉。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯薄膜-D型光纖的寬帶光偏振器，其特征在于包括光纖、石墨烯薄膜層、和封裝膠，所述光纖側(cè)面上設(shè)置有D型槽，所述D型槽底部緊貼光纖的纖芯，D型槽底部覆蓋至少一層石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜緊貼光纖的纖芯，所述D型槽通過封裝膠封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于石墨烯薄膜-D型光纖的寬帶光偏振器，其特征在于所述D型槽通過沿光纖側(cè)面研磨或切割方式獲得，所述研磨或切割深度為剛好是光纖直徑的一半，即研磨或切割到纖芯的一半，所述D型槽底面切口平整。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨烯薄膜-D型光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)的寬帶光偏振器，其性能特征是工作頻段為從可見光到遠(yuǎn)紅外的頻段400-1550nm，垂直偏振態(tài)之間的消光比為20dB。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于石墨烯薄膜-D型光纖的寬帶光偏振器，其特征在于所述封裝膠為低折射率紫外膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種石墨烯薄膜-D型光纖寬帶光偏振器，其主旨在于提供一種尺寸微小、制備簡便、消光比高、工作頻帶寬、無需外加能源、可直接集成在光纖上的石墨烯薄膜-D型光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)的寬帶光偏振器。其是在光纖上側(cè)切一個深度到達(dá)纖芯的D型槽并在平面上覆蓋石墨烯薄膜而成，其表面用低折射率紫外膠封裝。光纖一段輸入任意偏振態(tài)的光信號，經(jīng)過石墨烯作用區(qū)域后，在光纖另一端輸出線高消光比的偏振光。該調(diào)制器能直接耦合進(jìn)入光纖系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)消光比20dB的偏振控制。
文檔編號G02F1/01GK102591039SQ20121006702
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者吳宇, 姚佰承, 饒云江 申請人:電子科技大學(xué)