CN106772812A - 一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构，本结构包括单偏振纤芯、内包层、外包层、应力施加单元以及在纤芯传输的HE_11x导模和在外包层内传输的HE_11y截止模，在外包层表面有一层吸光涂覆层。通过将具有吸光特性的金属、合金、非金属、复合材料、石墨烯等涂覆在单偏振光纤的表面上，利用它们与截止模式HE_11Y倏逝场的相互作用，最终在最短光纤长度范围内吸收消耗掉其能量，实现导模HE_11x的低损耗传输。提高了单偏振光纤及其偏振器的偏振性能和可靠性；大幅度缩短单偏振光纤作为偏振器件的使用长度；在光纤系统中的插入损耗小；增加了机械强度；制作方法简单，成品率高，成本低，适于大批量工程化生产和使用。

Description

一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构

技术领域

本发明涉及一种光纤器件，尤其是涉及一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构。

背景技术

偏振器和其它偏振相关的器件在光纤通信、光纤测量仪器、光纤传感器等领域都具有重要应用，如光学陀螺、干涉型光纤传感器等。相对于体块偏振器，光纤偏振器在全光纤通讯系统中更具有应用前景，因为器件的插入损耗小，且与光纤系统相匹配。

传统的光纤偏振器研究大部分以D型光纤为载体，即将标准的光纤研磨成截面为D形的光纤，然后沿着轴向在磨平的平面上沉积、蒸度、压附、定向生长选择性吸光薄膜材料，如金、银、铟、铝、铬、双折射聚合物或者双折射晶体等。申请号为201410045795.8的专利提出了一种石墨烯与微光纤结合的三维立体全光纤偏振器。近年又出现了单偏振光纤偏振器。

上述基于D型光纤的偏振器制作工艺复杂，而且D型光纤脆性很大，器件容易损坏。第二类基于石墨烯与微光纤结合的三维立体全光纤偏振器虽然在一定程度上解决了一些第一类偏振器中出现的问题，但总体看其器件尺寸偏大、机械强度不高、需要附加其它部件。由于受微光纤的机械强度限制，所以微光纤与石墨烯棒间的接触面不可能很牢固，在振动、温度冲击等环境条件变化时，接触面就会产生滑动、改变接触状态等，所以该光纤起偏器的起偏质量和可靠性尚不能满足更高使用条件的要求。

单偏振光纤偏振器是迄今为止公认的最好的光纤偏振器，在实际科研生产中，从各个方面讲都具有绝对的优势，如工艺简单、成本低、优异的力学和光学性能、可靠性高、适于工业化生产和使用等，已经被广泛的工程化使用。

在实际使用中，如果要求单偏振光纤的消光比参数达到30dB以上，一般单偏振光纤的使用长度要大于5米，这就使得在某些条件下使用起来很不方便，或不能满足使用要求，使得其应用受到了限制。为解决以上诸多光纤偏振器中存在的问题，提升光纤系统用偏振器的起偏质量、提高系统稳定性、缩小光纤偏振器的尺寸方便使用和适于工程化批量生产，需要研究一种新的无源光纤偏振器。

发明内容

针对上述现有技术中存在的诸多缺陷和问题，本发明目的是提供一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构。该结构通过将具有吸光特性的金属、合金、非金属、复合材料、石墨烯等涂覆在单偏振光纤的表面上，利用它们与截止模式HE_11Y倏逝场的相互作用，最终在最短光纤长度范围内吸收消耗掉其能量，实现导模HE_11x的低损耗传输。由于这种光纤是全长光纤涂覆，所以对截止模式的吸收效率更高，在达到同样的消光比参数的条件下，使用吸光材料涂覆的单偏振光纤的长度会大大缩短，可以满足一些特殊条件下的使用要求；同样是因为全长涂覆和吸光效率高，使得光纤偏振器的偏振性能和稳定性大大提高；最终目的是制作一种单偏振光纤偏振器，具有高效率起偏的性能，满足某些特殊条件下的工程化应用。

本发明采用的技术方案是：一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构，所述单偏振光纤偏振器结构包括单偏振光纤纤芯、单偏振光纤内包层、单偏振光纤外包层、单偏振光纤应力施加单元以及在单偏振光纤纤芯传输的HE_11x导模和在单偏振光纤外包层内传输的HE_11y截止模，其特征在于，在所述的单偏振光纤外包层表面有一层吸光涂覆层。

本发明所述的在单偏振光纤外包层表面有一层吸光涂覆层，该吸光涂覆层为选择性和非选择性吸光材料，包括金属、非金属、复合材料、双折射聚合物、双折射晶体、吸光复合物、光学吸收染料、吸光聚酯组合物、金属配合物、石墨烯等等，只要涂覆材料具有吸光性能并能够与光纤表面形成牢固的结合即可，这个材料选择范围要远远大于传统的光纤起偏器的涂覆材料范围。

本发明提供的一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构相比诸多光纤偏振器件具有明显的特点和优势：1、制作工艺简单，如某些金属只需要在拉丝时进行在线涂覆即可。2、使用简单，由于器件本身是光纤，所以可以使用光纤熔接机直接与光纤光路进行连接。3、与单偏振光纤制作的偏振器相比，起偏效率更高；这是由于全光纤吸光涂覆层相当于有许多传统的光纤器件在一根单偏振光纤上同时工作。4、起偏精度高，对截止模偏振态过滤彻底； 5、使用光纤长度大幅度缩短，可以满足一些特殊条件下的使用要求。

本发明具有的有益效果是：①单偏振光纤及其偏振器的偏振性能和可靠性提高；②大幅度缩短单偏振光纤作为偏振器的使用长度；③制作的光纤偏振器较传统光纤偏振器在光纤系统中的插入损耗小；④机械强度较一些传统光纤偏振器增加；⑤较一些传统光纤偏振器制作方法简单，成品率高，成本低，适于大批量工程化生产和使用。

附图说明

图1为本发明以熊猫型结构单偏振光纤为实施例的一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参照图1，一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构包括单偏振光纤纤芯1、单偏振光纤内包层2、单偏振光纤外包层3、单偏振光纤应力施加单元4以及被束缚在单偏振光纤纤芯1传输的HE_11x导模6和在单偏振光纤外包层3内传输的HE_11y截止模7，本单偏振光纤偏振器结构在单偏振光纤外包层3表面有一层吸光涂覆层5。

本单偏振光纤偏振器结构对单偏振光纤的外径不限，可以是各种不同直径如Ф125μm、Ф80μm、Ф45μm等直径；其形状不限，可以是圆形、D型、多边形等。

本单偏振光纤偏振器结构对单偏振光纤的结构不限，可以是熊猫型、领结型、椭圆包层型、空气孔辅助几何双折射型、椭圆芯几何双折射型等。

本单偏振光纤偏振器结构的制备方法有在线和非在线法两种，由于涂覆材料众多，所以仅就金属和非金属类材料在线涂覆、金属和非金属类材料非在线涂覆工艺举例说明，具体步骤如下：

（一）在线金属材料涂覆：①在拉丝塔上将单偏振光纤引纤穿过光纤涂杯孔；②将涂覆金属加热熔化后注入涂杯，并使涂杯保持温度大于该金属熔化温度；③当进行光纤拉制时，金属就自然冷凝涂覆在经过的单偏振光纤表面上，再经过冷却后就制作成激光涂覆层单偏振光纤；④截取适当长度的单偏振光纤，就形成具有金属吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器。

（二）在线非金属类材料涂覆：①在拉丝塔上将单偏振光纤引纤穿过光纤涂杯孔；②将涂覆液态非金属类材料注入涂杯，当进行光纤拉制时，向下运动的光纤自然就将液态非金属类材料带出涂杯并涂覆在经过的光纤表面上，再经过紫外或热固化炉进行固化使其固化在光纤表面上，形成非金属吸光涂覆层；③截取适当长度的该光纤，就形成具有非金属吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器。

（三）非在线金属涂覆有多种方法，下面列出几种：

①熔化金属涂覆法：将一段传统有机材料涂覆的单偏振光纤的有机材料包层剥离，进行单偏振光纤表面处理，将裸纤穿过涂杯孔；将要涂覆的金属或合金在熔化杯内熔化，然后将单偏振光纤通过熔化杯底部的涂杯嘴拉出，经过冷却即在拉出的光纤表面上自然形成金属吸光涂覆层。

②蒸镀法：将一段单偏振光纤有机涂覆层剥离并进行处理，然后放入真空镀膜机中进行真空蒸度，最终在原本裸露的单偏振光纤表面形成金属镀膜，即金属吸光涂覆层。

③溅射法：将一段单偏振光纤有机涂覆层剥离并进行处理，然后放入溅射机中进行金属溅射，最终在原本裸露的单偏振光纤表面形成金属镀膜，即金属吸光涂覆层。

④化学淀积法：将一段单偏振光纤有机涂覆层剥离并进行清洁处理，然后通过粗化、敏化、活化等工艺进行常规金属淀积，最终在原本裸露的单偏振光纤表面形成金属镀膜，即金属吸光涂覆层。

经过上述四种工艺过程制成的光纤就是具有金属吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器。

（四）非在线非金属材料涂覆方法也较多，简单介绍主要过程如下：

①将传统单偏振光纤的有机材料涂层剥离；②进行单偏振光纤表面处理；③将要涂覆的非金属材料放入容器；如果是固态物，需要进行物理或化学液化处理；④将单偏振光纤浸入其中，通过一定孔径的涂杯孔拉出即在光纤表面上形成液态涂覆层，再经过紫外或热固化处理形成非金属吸光涂覆层；⑤截取适当长度的该光纤，就形成具有非金属吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器。

本发明通过将具有吸光特性的材料涂覆在单偏振光纤的表面上，利用它们与截止模式HE_11Y倏逝场的相互作用，最终在最短光纤长度范围内吸收消耗掉其能量。

本单偏振光纤偏振器的工作原理：单偏振光纤的起偏机理与以前出现的光纤偏振器完全不同，它是利用光纤波导自身的光学特性来实现的。光纤中的HE_11x模式（X轴向偏振）的光能量被束缚在光纤芯部传输，而HE_11y模式（Y轴向偏振）的光能量由于波导模式截止的原因只能在光纤包层中传输，即光纤包层表面处的倏逝波场能量都来源于截止模HE_11y。如果在单偏振光纤表面涂覆或生长吸光材料（包括选择性和非选择性吸光材料），一旦在光纤包层内传输的HE_11y截止模光能量遇到这些选择性吸光材料，其光能量就会被迅速消耗掉，而HE_11x导模的光能量不会受到任何影响，这一方面使得单偏振光纤的偏振性能和偏振质量提高，另一方面更显著的特点是提高起偏效率，可以大大缩短单偏振光纤用作光纤起偏器的长度，这使得某些条件下的应用变为了可能。

Claims (1)

1.一种具有吸光涂覆层的单偏振光纤偏振器结构，所述单偏振光纤偏振器结构包括单偏振光纤纤芯（1）、单偏振光纤内包层（2）、单偏振光纤外包层（3）、单偏振光纤应力施加单元（4）以及在单偏振光纤纤芯（1）传输的HE_11x导模（6）和在单偏振光纤外包层（3）内传输的HE_11y截止模（7），其特征在于，在所述的单偏振光纤外包层（3）表面有一层吸光涂覆层（5）。