[发明专利]石墨烯薄膜-D型光纤宽带光偏振器

说明书

技术领域

本发明涉及光通信及其传感传输技术领域。提供了一种无源的光信号偏振控制装置，能凭借石墨烯材料的特殊导波性质实现线偏振光的产生。 

背景技术

在当代光通信和传感技术的应用中，光信号的质量是影响系统性能的一个重要因素。其中，偏振态是决定光信号质量的一个核心参量。在光纤等光波导中，由于弯曲和散射等效应，使激光产生不同的偏振态，材料对不同的偏振光存在不同的衰减、色散和非线性效应，对光信号的质量产生可观的影响。为保证传输质量，必须对光信号的偏振态进行选择和稳定，在宽带光通信网和高精度光传感系统中，光学起偏器已经成为一种必不可少的元件。基于弯曲致偏效应，高分子阻透效应，选择性反射效应和选择性衰减吸收效应等，人们制备出各种光学偏振器件。 

光学偏振器分为有源和无源两种。传统的有源偏振器主要利用某些晶体有效折射率随外加电场强度改变而改变的特性，使光产生两个强度不同的垂直偏正态，以其中强度大的作为主偏振态。传统的无源偏振器遵从马吕斯定律，通过材料对不同偏振光的透射率，输出特定方向的偏振光。无源偏振技术结构简单，故障率低，能耗小，便于全光网络集成，应用比有源偏振器更加广泛。当前，商用的无源偏振器主要有基于硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜等双向色性有机物的偏振片，基于机械拉伸弯曲散射效应的光纤偏振环和基于部分反射的光栅偏振器等。 

但是，传统的无源偏振器存在诸多局限性，影响其在光通信传感领域的进一步应用。首先，基于双向色性有机物的偏振片尺寸较大，一般为厘米量级，且其起偏方式为垂直透射，只适合在透镜光路中使用，不适合集成入光纤系统；第二，机械拉伸式光纤偏振控制器依靠人工操作起偏，精度差，稳定性低，随机性大，且额外耦入偏振环会给系统带来额外的插入损耗和时延，甚至产生谐振，引入复杂的噪声；第三，基于光纤光栅的偏振器精度虽高，但制备工艺复杂，成本高昂，调试耗时，而且有较大衰减，不利于应用在微弱信号环境中。 

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。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。全偏振光在石墨烯表面传播时，由于其二维平面特性，垂直于石墨烯的偏振态迅速衰减，表现为被吸收；平行于石墨烯平面的偏振态在其腹地弹道率正虚部的影响下，以TE模式为主进行传播，衰减量极小，表现为被导通。在通过足够长的一段石墨烯波导后，平行于石墨烯平面的偏振模强度大大强于垂直方向的偏振模，故而实现了偏振器功能。而且，石墨烯平面层可以制备在任何尺寸、形态和绝大多数材质的波导表面，能实现与光纤传输系统的直接结合。 

相比于传统的偏振器件，石墨烯薄膜-D型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，可以直接在光纤纤体上制备，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。传统偏振器的插入损耗一般为3-10dB，且存在插入相位失配噪声，这种石墨烯-光纤复合结构偏振器避免了这种插入损耗和失配噪声，在光纤通信系统传输距离和光纤传感系统测试精度上意义重大。第二，尺寸微小，特别是石墨烯作用区域很小。传统的偏振器尺寸一般为几个厘米到几十个厘米，而石墨烯薄膜-D型光纤结构偏振器直径为光纤大小，长度为几个毫米。更小的尺寸带来更高的系统兼容性和更低的制备成本。第三，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-D型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。第四，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400nm-1550nm的波长范围，突破了传统偏振器件选频效应的限制，可以实现从近紫外光到远红外光的宽带起偏功能。 

发明内容