[发明专利]一种基于石墨烯与微光纤结合的三维立体全光纤偏振器

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件，尤其是涉及一种新型三维立体全光纤偏振器及其制备方法。

背景技术

偏振器和其他偏振相关的器件在光纤通讯以及传感中都具有重要运用，如光学陀螺仪，干涉传感器等。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。

传统的光纤偏振器的研究大部分以D型光纤为载体，即将标准光纤磨成截面为D型的光纤，然后沿着轴向在磨平的平面上沉积薄膜材料，如金属铟、银、铝、铬或者双折射聚合物。最近CN201210067023.5的专利提出在D型光纤表面转移覆盖石墨烯作为偏振吸收体。还有研究者利用大倾角的布拉格光栅具有的偏振依赖损耗特性来制备偏振器。

上述基于D型光纤的偏振器制备工艺复杂，而且D型光纤脆性很大，器件容易损坏。而对于第二类偏振器中倾斜布拉格光栅制备工艺也比较复杂，此外器件对于温度敏感性大，限制了其应用。同时，由于这类偏振器具有一维结构，限制了其在实现多功能光学元件集成方面的可能性。

为解决以上问题，提升光纤系统用偏振器的起偏质量和系统稳定性，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。

随着微光纤制备技术的发展，由于微光纤具有优异的力学、光学等性能，基于微光纤开发出一系列的光子学器件，如微光纤谐振腔，微光纤传感器等，受到广泛关注。

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。微光纤具有很大的表面疏失场，当全偏振光在微光纤波导中传播时，由于平行于石墨烯的偏振态可以部分耦合到石墨烯中而迅速衰减，表现为被吸收；而垂直于石墨烯平面的偏振态，以TM模式在微光纤波导中进行传播，衰减量极小，表现为被导通。在通过足够长的一段微光纤石墨烯波导后，垂直于于石墨烯平面的偏振模强度大大强于平行方向的偏振模，故而实现了偏振器功能。

相比于传统的偏振器件，石墨烯薄膜-微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，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。第二，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，引入系统误差，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-微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。第三，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系统中时，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1200nm-1700nm的波长范围，突破了传统偏振器件选频效应的限制。第五，可以集成多种器件，比如将微光纤谐振腔与起偏器集成，制备单偏振的谐振腔，在传感方面具有广泛应用前景。

专利CN201210067023.5公开了一种全光纤的偏振器，其中采用了石墨烯薄膜作为偏振吸收体。但是它利用的是D型光纤泄露模与石墨烯之间的相互作用，这决定了该器件的插入损耗较大。而且该偏振器为一维结构，器件线长度较大，且功能单一。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种基于石墨烯与微光纤结合的三维立体全光纤偏振器，由于这种光纤偏振器具有三维立体结构，可以用来集成多种光学元件，如单偏振的微光纤谐振腔。本发明另一个目的是提供一种偏振器的制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种基于石墨烯与微光纤结合的三维立体全光纤偏振器，包括支撑棒和微光纤，微光纤绕制在支撑棒上；所述支撑棒表面均匀涂覆一层百微米厚的低折射率聚合物，聚合物表面均匀铺设有石墨烯薄膜。

进一步地，所述支撑棒的截面为圆形，微光纤的直径为0.5～5μm，绕制在支撑棒上的相邻微光纤之间的间距为0.1mm。

本发明制备上述偏振器的制备方法，具体步骤如下：