一種基于石墨烯與微光纖結(jié)合的三維立體全光纖偏振器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于石墨烯與微光纖結(jié)合的三維立體全光纖偏振器，包括支撐棒和微光纖。微光纖繞制在支撐棒上，支撐棒表面均勻涂覆一層百微米厚的低折射率聚合物，聚合物表面均勻鋪設(shè)有石墨烯薄膜。本發(fā)明提出了通過將微光纖繞制在石墨烯覆蓋的圓棒上來實(shí)現(xiàn)寬帶偏振器的新思路。這種光纖偏振器具有三維立體結(jié)構(gòu)，未來可以用來集成多種光學(xué)元件，如單偏振的微光纖諧振腔，在傳感方面具有廣泛應(yīng)用前景。并且本發(fā)明的方法制備簡(jiǎn)單，成品率高。
【專利說明】 —種基于石墨烯與微光纖結(jié)合的三維立體全光纖偏振器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)元件，尤其是涉及一種新型三維立體全光纖偏振器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]偏振器和其他偏振相關(guān)的器件在光纖通訊以及傳感中都具有重要運(yùn)用，如光學(xué)陀螺儀，干涉?zhèn)鞲衅鞯?。相?duì)于體塊偏振器，光纖偏振器在全光纖通訊系統(tǒng)中更具有應(yīng)用前景，因?yàn)槠骷牟迦霌p耗小，且與光纖系統(tǒng)相匹配。
[0003]傳統(tǒng)的光纖偏振器的研究大部分以D型光纖為載體,即將標(biāo)準(zhǔn)光纖磨成截面為D型的光纖，然后沿著軸向在磨平的平面上沉積薄膜材料，如金屬銦、銀、鋁、鉻或者雙折射聚合物。最近CN201210067023.5的專利提出在D型光纖表面轉(zhuǎn)移覆蓋石墨烯作為偏振吸收體。還有研究者利用大傾角的布拉格光柵具有的偏振依賴損耗特性來制備偏振器。
[0004]上述基于D型光纖的偏振器制備工藝復(fù)雜，而且D型光纖脆性很大，器件容易損壞。而對(duì)于第二類偏振器中傾斜布拉格光柵制備工藝也比較復(fù)雜，此外器件對(duì)于溫度敏感性大，限制了其應(yīng)用。同時(shí)，由于這類偏振器具有一維結(jié)構(gòu)，限制了其在實(shí)現(xiàn)多功能光學(xué)元件集成方面的可能性。
[0005]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。
[0006]隨著微光纖制備技術(shù)的發(fā)展，由于微光纖具有優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)等性能，基于微光纖開發(fā)出一系列的光子學(xué)器件，如微光纖諧振腔，微光纖傳感器等，受到廣泛關(guān)注。
[0007]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(gè)碳原子大小(?10nm)，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(duì)阻滯TM模式。微光纖具有很大的表面疏失場(chǎng)，當(dāng)全偏振光在微光纖波導(dǎo)中傳播時(shí)，由于平行于石墨烯的偏振態(tài)可以部分耦合到石墨烯中而迅速衰減，表現(xiàn)為被吸收；而垂直于石墨烯平面的偏振態(tài)，以TM模式在微光纖波導(dǎo)中進(jìn)行傳播，衰減量極小，表現(xiàn)為被導(dǎo)通。在通過足夠長(zhǎng)的一段微光纖石墨烯波導(dǎo)后，垂直于于石墨烯平面的偏振模強(qiáng)度大大強(qiáng)于平行方向的偏振模，故而實(shí)現(xiàn)了偏振器功能。
[0008]相比于傳統(tǒng)的偏振器件，石墨烯薄膜-微光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)偏振器具有明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。第一，工藝簡(jiǎn)便，集成性好，與一段光纖融為一體，不作為單獨(dú)的光學(xué)器件耦合進(jìn)入光路。第二，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(shì)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-微光纖復(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(zhǎng)時(shí)間高度穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)偏振方向的變化。第三，起偏精度高，對(duì)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(shí)，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(cè)。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1200nm-1700nm的波長(zhǎng)范圍，突破了傳統(tǒng)偏振器件選頻效應(yīng)的限制。第五，可以集成多種器件，比如將微光纖諧振腔與起偏器集成，制備單偏振的諧振腔，在傳感方面具有廣泛應(yīng)用前景。
[0009]專利CN201210067023.5公開了一種全光纖的偏振器，其中采用了石墨烯薄膜作為偏振吸收體。但是它利用的是D型光纖泄露模與石墨烯之間的相互作用，這決定了該器件的插入損耗較大。而且該偏振器為一維結(jié)構(gòu)，器件線長(zhǎng)度較大，且功能單一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明目的是提供一種基于石墨烯與微光纖結(jié)合的三維立體全光纖偏振器，由于這種光纖偏振器具有三維立體結(jié)構(gòu)，可以用來集成多種光學(xué)元件，如單偏振的微光纖諧振腔。本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種偏振器的制備方法。
[0011]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0012]—種基于石墨烯與微光纖結(jié)合的三維立體全光纖偏振器，包括支撐棒和微光纖，微光纖繞制在支撐棒上；所述支撐棒表面均勻涂覆一層百微米厚的低折射率聚合物，聚合物表面均勻鋪設(shè)有石墨烯薄膜。
[0013]進(jìn)一步地，所述支撐棒的截面為圓形，微光纖的直徑為0.5?5 μ m,繞制在支撐棒上的相鄰微光纖之間的間距為0.1mm。
[0014]本發(fā)明制備上述偏振器的制備方法，具體步驟如下:
[0015](I)微光纖拉制:采用氫氣加熱標(biāo)準(zhǔn)單模光纖拉伸工藝，制備出均勻的微光纖，微光纖分為三個(gè)區(qū)域:尾纖、過渡區(qū)、穩(wěn)定區(qū)；(2)支撐棒的表面處理:支撐棒選用表面光滑聚合物材質(zhì)，在支撐棒表面均勻涂覆一層百微米厚的低折射率聚合物；(3)石墨烯轉(zhuǎn)移:將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到經(jīng)步驟(2)表面處理過的支撐棒上，石墨烯均勻覆蓋支撐棒表面；(4)微光纖繞制成環(huán):利用三維旋轉(zhuǎn)臺(tái)，將步驟(I)制備的微光纖的穩(wěn)定區(qū)部分纏繞在支撐棒表面，形成三維立體全光纖偏振器，微光纖與支撐棒表面緊密接觸。
[0016]進(jìn)一步地,所述步驟(2)中,支撐棒為直徑2mm左右的圓棒。
[0017]本發(fā)明通過將微光纖繞制在由石墨烯薄膜卷覆的低折射率支撐棒上，利用石墨烯寬帶線性吸收特性和微光纖具有大的表面倏逝場(chǎng)，二者相互作用，實(shí)現(xiàn)寬帶(1200nm-1700nm)偏振器件的功能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:(I)微光纖具有一定偏振的消逝場(chǎng)(如電場(chǎng)方向平行于石墨烯平面)可以耦合到石墨烯層中，從而表現(xiàn)出大的傳播損耗，實(shí)現(xiàn)了高偏振對(duì)比度的光纖偏振器，選用微光纖直徑0.5?5μηι,可以達(dá)到插入損耗較小，且對(duì)比度高的優(yōu)化設(shè)計(jì)，偏振對(duì)比度為5_20dB/圈。(2)本發(fā)明器件線長(zhǎng)度較小(取決于支持棒直徑)。(3)由于本發(fā)明的光纖偏振器具有三維立體結(jié)構(gòu),未來可以用來集成多種光學(xué)元件，比如當(dāng)繞制微光纖耦合形成諧振腔時(shí)，可以制備單偏振諧振腔，這在傳感方面具有廣泛應(yīng)用前景。(4)本發(fā)明方法制備簡(jiǎn)單，成品率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明采用的拉制的微光纖示意圖。[0019]圖2是本發(fā)明實(shí)施例采用表面修飾過的支撐棒結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖3是本發(fā)明的三維立體全光纖偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面進(jìn)一步闡明本發(fā)明實(shí)施過程:
[0022]如圖1所示為采用成熟的氫氣加熱標(biāo)準(zhǔn)單模光纖拉伸工藝，制備出均勻的直徑?3μπι的微光纖，分為三部分，尾纖1、過渡區(qū)2 (圓錐狀)，穩(wěn)定區(qū)3，中間穩(wěn)定區(qū)3的直徑約為3μηι。繞制制成偏振器時(shí),選用穩(wěn)定區(qū)部分的微光纖。
[0023]圖2為表面處理過的支撐棒結(jié)構(gòu)。選用的是PMMA材質(zhì)、直徑約2mm的圓棒4,圓棒要求表面光滑，這樣可以降低微光纖繞上去之后彎曲損耗等導(dǎo)致的期間插入損耗增加。采用蘸取方法，先將圓棒4均勻蘸涂上一層特氟龍聚合物5 (Teflon? AF 601S1-100-6,DuPont，產(chǎn)品序列號(hào)800-441-7515)。厚度?100 μ m的特氟龍涂層等聚合物溶液自然揮發(fā)固化后，采用成熟的石墨烯轉(zhuǎn)移工藝，將石墨烯薄膜6完整均勻轉(zhuǎn)移到圓棒4表面作為偏振選擇吸收體，并進(jìn)行退火處理。采用化學(xué)氣相沉積法在銅箔上生長(zhǎng)的石墨烯，先在銅箔上旋涂一層PMMA苯甲醚溶液，PMMA重量比4% ;將樣品傾斜放置在烘箱中，溫度設(shè)置為60°C，持續(xù)時(shí)間30分鐘；自然冷卻后，取出樣品輕放入0.5mol/L的三氯化鐵水溶液中腐蝕去掉銅箔襯底；待銅箔完全溶解后，將溶液中薄膜(含石墨烯)轉(zhuǎn)移到去離子水中，放置10分鐘左右，如此三次；將清洗過的薄膜轉(zhuǎn)移到圓棒4表面，待薄膜水分自然蒸發(fā)后，置于80°C烘箱中，退火30分鐘，使得石墨烯與襯底形成緊密接觸，增加石墨烯在襯底粘附力；取出樣品后，采用丙酮溶解PMMA薄膜，溶解時(shí)間為10分鐘；將樣品再放入烘箱中，50°C，保持30分鐘，消除石墨烯表面缺陷,釋放應(yīng)力。
[0024]如圖3為器件的完整結(jié)構(gòu)圖，實(shí)現(xiàn)寬帶的偏振器，工作波段為1200nm-1700nm。利用三維旋轉(zhuǎn)臺(tái)，將制備好的微光纖7繞制在表面處理過的支撐棒上，微光纖7通過范德華力與支撐棒緊緊結(jié)合在一起。要求相鄰微光纖7間距較大(?0.1mm)，避免微光纖7的相互耦合。
[0025]本發(fā)明制備出的偏振器，可以實(shí)現(xiàn)IOdB每圈微光纖的偏振對(duì)比度。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用，繞制三圈微光纖可以滿足應(yīng)用需求。
【權(quán)利要求】
1.一種基于石墨烯與微光纖結(jié)合的三維立體全光纖偏振器，包括支撐棒和微光纖，其特征在于，微光纖繞制在支撐棒上；所述支撐棒表面均勻涂覆一層百微米厚的低折射率聚合物，聚合物表面均勻鋪設(shè)有石墨烯薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯與微光纖結(jié)合的三維立體全光纖偏振器，其特征在于，所述支撐棒的截面為圓形，所述微光纖的直徑為0.5?5μπι，繞制在支撐棒上的相鄰微光纖之間的間距為0.1mm。
3.如權(quán)利要求1所述一種基于石墨烯與微光纖結(jié)合的三維立體全光纖偏振器的制備方法，其特征在于，具體步驟如下: (1)微光纖拉制:采用氫氣加熱標(biāo)準(zhǔn)單模光纖拉伸工藝，制備出均勻的微光纖，微光纖分為三個(gè)區(qū)域:尾纖、過渡區(qū)、穩(wěn)定區(qū)； (2)支撐棒的表面處理:支撐棒選用表面光滑聚合物材質(zhì),在支撐棒表面均勻涂覆一層百微米厚的低折射率聚合物； (3)石墨烯轉(zhuǎn)移:將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到經(jīng)步驟(2)表面處理過的支撐棒上，石墨烯均勻覆蓋支撐棒表面； (4)微光纖繞制成環(huán):利用三維旋轉(zhuǎn)臺(tái)，將步驟(I)制備的微光纖的穩(wěn)定區(qū)部分纏繞在支撐棒表面，形成三維立體全光纖偏振器，其中微光纖與支撐棒表面緊密接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，支撐棒為直徑2mm的圓棒。
【文檔編號(hào)】G02F1/01GK103869502SQ201410045795
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月10日
【發(fā)明者】徐飛, 陳錦輝, 寇君龍, 陳燁, 陸延青, 胡偉 申請(qǐng)人:南京大學(xué)