[发明专利]一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置

说明书

本发明公开了一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置，包括光子晶体光纤、高压脉冲电源、保护电阻、高压电极、绝缘片、地电极、入射布鲁斯特窗和出射布鲁斯特窗。红外激光经入射布鲁斯特窗进入光子晶体光纤并从出射布鲁斯特窗射出，高压脉冲电源向高压电极施加脉冲电压，通过介质阻挡多孔放电的形式在充满惰性工作气体的空心孔内获得低温等离子体，实现填充等离子体的光子晶体光纤；通过改变高压电源脉冲参数、惰性工作气体的气压或者电极间距，能够调节等离子体的特征物理参数和气体温度，对光子晶体光纤的红外带隙特征进行宽范围调谐。本发明具备调谐连续、可重构、调谐频段宽、响应速度快的优点，在光学通信方面具有广阔的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及等离子体技术和光子晶体技术领域，特别涉及了一种等离子体光子晶体光纤。

背景技术

光子晶体光纤又被称为微结构光纤，分为带隙型光子晶体光纤和折射率引导型光纤，在通信、传感、量子力学、医学等领域有广阔的应用前景。它的横截面上有较复杂的折射率分布，除了光纤芯区(也可以是气孔)外，通常在纤芯周围还含有周期性排列形式的空心孔(气孔)，这些空心孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度。光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播，具有损耗低、无限单模传输、高双折射和大模场面积等特性。

带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空心孔光子晶体包层的空芯石英光纤。因空心孔是周期性的排列分布在纤芯周围，使得包层横截面的折射率具有周期分布，从而出现光传播的布拉格衍射效应，构成光子带隙，即对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播。该光子带隙特征取决于空心孔阵列特征尺寸、排列方式和折射率。当光子晶体光纤一旦被制备出来，带隙特征也随之确定，因其结构固化、无法重构、无法调谐，不能作为光学开关或光学调制器。

为了解决上述问题，现有研究提出在光子晶体光纤中涂覆金、石墨烯或填充液体，通过控制外部条件(如电压、磁场和温度)调节填充物质的折射率，从而改变光子晶体光纤的光子带隙特征，实现光学传输可调谐。然而，这些方法都是将固体粉末或液体填充至空心孔内，存在工艺复杂、涂覆非均匀、无法重构、液体注入难等问题，使得可调谐的光子晶体光纤技术仍停留在实验室阶段，未能实现工业级应用。

在光子晶体光纤的空心孔内填充低温等离子体是一种新的可调谐方式。等离子体是除了气态、液态和固态之外的第四种物质状态，是由离子、电子与中性粒子集合组成且整体呈中性的物质状态。按照电子温度与离子温度的相对大小，可分为高温等离子体和低温等离子体。然而，实现可调谐等离子体光子晶体光纤将面临以下四个主要问题：(1)根据气体放电的帕邢定律，光子晶体光纤内空心孔的直径非常小(<50微米)，工作气体的击穿电压迅速升高；(2)红外光传输调谐要求所需等离子体的电子密度高(>10¹⁵cm^-3)，常规气体放电方式难以实现；(3)在小尺寸高密度的低温等离子体条件下，光子晶体光纤的发热问题严重；(4)低温等离子体填充不易均匀，使得光子晶体光纤内光子带隙特征有较大差异性，影响红外光传输调谐效果。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种可调谐等离子体光子晶体光纤装置。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：