一种基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器

本发明属于光纤滤波，具体涉及一种基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器。

背景技术：

1、光子晶体光纤(pcf)是一种在光纤包层中加入周期性排布空气柱的微结构光纤，它体积小、结构灵活、性能独特，是当下的热门波导之一。pcf设计灵活多变，可通过修改结构参数以及填充特殊材料的方法来获得理想性能。高双折射特性是偏振滤波器的重要性能，可以直接反映滤波器偏振性能的优劣。而pcf只需破坏自身结构的对称性，即可获得高双折射特性。所以pcf是实现偏振滤波功能的优良波导。此外，得益于自身的特殊结构，pcf在光通信、医学成像、生物监测和环境检测等领域具有广阔的应用前景。

2、在镀金属膜或填充金属线的pcf中，由于在金属表面上移动的自由电子可以被视为表面等离子体，当光以一定角度入射到电介质和金属表面时，金属表面产生表面等离子体激元(spp)。当入射波以及波长在某一条件下，波导边界处倏逝波的波矢与spp的波矢恰好满足相位匹配条件，二者将发生强烈地耦合，导致纤芯中传输波矢在某一偏振方向上携带的能量被大量地传输到金层。而纤芯模式在这一偏振方向上的能量急剧下降，在另外一个偏振方向上的能量基本不受影响。因此，这种情况下传输的光可以被视为单偏振光。这种纤芯模式与spp模式发生强耦合的现象就是表面等离子体共振(spr)。现有的研究表明spr效应能在很大程度上滤除不需要的偏振方向上的光，可以有效增强器件的偏振特性。所以基于spr效应的滤波器一般具有良好偏振滤波特性。

3、基于spr的pcf滤波器是当下的研究热点，但现有的大多数设计无法在双通信窗口滤波的情况下保持优良滤波特性。多数设计只可以在1.31μm或1.55μm其中之一的窗口保持优良的滤波效果，如cn110568545b、cn110412682b，前者、后者的工作波段分别位于1.31μm、1.55μm窗口处。少数设计的有效工作波段覆盖双通信窗口，但滤波效果一般，如cn111208601b，该滤波器有着长带宽的特点，但其通信窗口处的消光比较低。

技术实现思路

1、针对现有pcf滤波器结构长带宽但消光比低的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，可以兼顾覆盖1.31μm、1.55μm双通信窗口滤波以及优良偏振特性，具有长带宽、高消光比以及结构简单的优良特性。

2、为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：一种基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，包括基底材料以及分布于所述基底材料中的多个大圆形空气柱、多个小圆形空气柱和两个内壁附有金层的椭圆形空气柱；其中多个所述小圆形空气柱与多个所述大圆形空气、两个椭圆形空气柱分布呈多层菱形结构，另多个所述小圆形空气柱分为多个折线结构分别交错分布于每两层菱形结构之间，所述多层菱形结构的内层围绕的区域构成纤芯；多个所述小圆形空气柱沿y轴方向上分布，多个所述大圆形空气沿x轴方向上分布，大圆形空气柱的直径大于小圆形空气柱的直径；两个所述椭圆形空气柱分别分布于所述纤芯的两侧且所述椭圆形空气柱的短轴与纤芯处于同一x轴上。

3、进一步地，所述纤芯分布于所述光子晶体光纤滤波器的结构中心。

4、进一步地，所述菱形结构为相对于x轴方向倾斜45°正四边形结构，所述折线结构的夹角为直角。

5、进一步地，多个所述小圆形空气柱呈正四边形周期性且中心对称分布于所述纤芯的两侧；进一步地，多个所述大圆形空气柱呈相对于x轴方向倾斜45°正四边形周期性且中心对称分布于所述纤芯的两侧；两个所述椭圆形空气柱沿中心对称分布。

6、进一步地，所述多层菱形结构的内层由两个所述小圆形空气柱、四个所述大圆形空气柱和两个所述内壁附有金层的椭圆形空气柱构成。

7、进一步地，除多层菱形结构的内层之外，每层菱形结构中小圆形空气柱和大圆形空气柱的数量之差为4个，每相邻两层菱形结构中小圆形空气柱的数量之差为4个且每相邻两层菱形结构中大圆形空气柱的数量之差为4个，每个折线结构中小圆形空气柱与相邻的其中一层菱形结构中小圆形空气柱的数量相同且与相邻的另一层菱形结构中小圆形空气柱的数量之差为2个。

8、进一步地，所述基底材料为fk51a玻璃。

9、进一步地，所述大圆形空气柱的直径为0.8μm；所述小圆形空气柱的直径为0.5μm。

10、进一步地，所述椭圆形空气柱的短半轴长度为0.15μm，长半轴长度为0.35μm；所述金层的厚度为50nm。

11、进一步地，沿x轴方向上，相邻两个所述大圆形空气柱圆心之间的距离为1.72μm，相邻两个所述小圆形空气柱圆心之间的距离为0.86μm。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果：

13、(1)利用不对称排布的空气柱以及spr效应，获得了高消光比、长带宽的特性，并且实现了有效工作波段覆盖双通信窗口；当波长在1.31μm、1.55μm时，x偏振方向的限制损耗可分别达到107.89db/mm、72.71db/mm，而y偏振方向上相应的限制损耗仅分别为1.04db/mm、2.58db/mm；当光纤长度为1mm时，工作带宽大于800nm，可完全覆盖1.31μm和1.55μm这两常用通讯窗口；其中，中心波长1.31μm处，该光子晶体光纤滤波器的最大消光比为-108.90db；

14、(2)在x、y偏振方向上仅设置两种空气柱，增加结构不对称性的同时减少制备复杂度，为制备提供有利条件。

技术特征：

1.一种基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，包括基底材料(1)以及分布于所述基底材料(1)中的多个大圆形空气柱(3)、多个小圆形空气柱(4)和两个内壁附有金层(5)的椭圆形空气柱(2)；其中多个所述小圆形空气柱(4)与多个所述大圆形空气(3)、两个椭圆形空气柱(2)分布呈多层菱形结构，另多个所述小圆形空气柱(4)分为多个折线结构分别交错分布于每两层菱形结构之间，所述多层菱形结构的内层围绕的区域构成纤芯；多个所述小圆形空气柱(4)沿y轴方向上分布，多个所述大圆形空气(3)沿x轴方向上分布，大圆形空气柱的直径大于小圆形空气柱的直径；两个所述椭圆形空气柱(2)分别分布于所述纤芯的两侧且所述椭圆形空气柱的短轴与纤芯处于同一x轴上。

2.根据权利要求1所述的基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，所述纤芯分布于所述光子晶体光纤滤波器的结构中心。

3.根据权利要求1所述的基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，所述菱形结构为相对于x轴方向倾斜45°正四边形结构，所述折线结构的夹角为直角。

4.根据权利要求1所述的基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，多个所述小圆形空气柱(4)呈正四边形周期性且中心对称分布于所述纤芯的两侧；多个所述大圆形空气柱(3)呈相对于x轴方向倾斜45°正四边形周期性且中心对称分布于所述纤芯的两侧；两个所述椭圆形空气柱(2)沿中心对称分布。

5.根据权利要求1所述的基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，所述多层菱形结构的内层由两个所述小圆形空气柱(4)、四个所述大圆形空气柱(3)和两个所述内壁附有金层(5)的椭圆形空气柱(2)构成。

6.根据权利要求1所述的基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，除多层菱形结构的内层之外，每层菱形结构中小圆形空气柱(4)和大圆形空气柱(3)的数量之差为4个，每相邻两层菱形结构中小圆形空气柱(4)的数量之差为4个且每相邻两层菱形结构中大圆形空气柱(3)的数量之差为4个，每个折线结构中小圆形空气柱(4)与相邻的其中一层菱形结构中小圆形空气柱(4)的数量相同且与相邻的另一层菱形结构中小圆形空气柱(4)的数量之差为2个。

7.根据权利要求1所述的基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，所述基底材料(1)为fk51a玻璃。

8.根据权利要求1所述的基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，所述大圆形空气柱(3)的直径为0.8μm；所述小圆形空气柱(4)的直径为0.5μm。

9.根据权利要求1所述的基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，所述椭圆形空气柱(2)的短半轴长度为0.15μm，长半轴长度为0.35μm；所述金层(5)的厚度为50nm。

10.根据权利要求1所述的基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，其特征在于，沿x轴方向上，相邻两个所述大圆形空气柱(3)圆心之间的距离为1.72μm，相邻两个所述小圆形空气柱(4)圆心之间的距离为0.86μm。

技术总结本发明公开了一种基于双椭圆金层的长带宽高消光光子晶体光纤滤波器，属于光纤滤波技术领域。解决了现有光子晶体光纤滤波器结构长带宽但消光比低的技术问题。其技术方案为：该光子晶体光纤滤波器包括基底材料以及分布于基底材料中的多个大圆形空气柱、多个小圆形空气柱和两个内壁附有金层的椭圆形空气柱；其中多个小圆形空气柱与多个大圆形空气、两个椭圆形空气柱分布呈多层菱形结构，多层菱形结构的内层围绕的区域构成纤芯，多个小圆形空气柱沿y轴方向上分布，多个大圆形空气沿x轴方向上分布。本发明的有益效果为：该光子晶体光纤滤波器利用不对称排布的空气柱以及SPR效应，具有长带宽、高消光比以及结构简单的优良特性。技术研发人员：陈楠,肖云鹏,徐一鸣,郭璐豪,丁鑫,王璐瑶,孙兴建,秦秋月,刘辰汛,吴天成,任仲杰,程明,佘雨荷,冯耀辉受保护的技术使用者：南通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2