一种基于石墨烯与微光纤结合的三维立体全光纤偏振器

摘要

本发明公开了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，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。本发明提出了通过将微光纤绕制在石墨烯覆盖的圆棒上来实现宽带偏振器的新思路。这种光纤偏振器具有三维立体结构，未来可以用来集成多种光学元件，如单偏振的微光纤谐振腔，在传感方面具有广泛应用前景。并且本发明的方法制备简单，成品率高。

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：

（1）微光纤拉制：采用氢气加热标准单模光纤拉伸工艺，制备出均匀的微光纤，微光纤分 为三个区域：尾纤、过渡区、稳定区；（2）支撑棒的表面处理：支撑棒选用表面光滑聚合物材 质，在支撑棒表面均匀涂覆一层百微米厚的低折射率聚合物；（3）石墨烯转移：将石墨烯薄膜 转移到经步骤（2）表面处理过的支撑棒上，石墨烯均匀覆盖支撑棒表面；（4）微光纤绕制成 环：利用三维旋转台，将步骤（1）制备的微光纤的稳定区部分缠绕在支撑棒表面，形成三维 立体全光纤偏振器，微光纤与支撑棒表面紧密接触。

进一步地，所述步骤（2）中，支撑棒为直径2mm左右的圆棒。

本发明通过将微光纤绕制在由石墨烯薄膜卷覆的低折射率支撑棒上，利用石墨烯宽带线性 吸收特性和微光纤具有大的表面倏逝场，二者相互作用，实现宽带（1200nm-1700nm）偏振器 件的功能。与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：（1）微光纤具有一定偏振的消逝场（如 电场方向平行于石墨烯平面）可以耦合到石墨烯层中，从而表现出大的传播损耗，实现了高偏 振对比度的光纤偏振器，选用微光纤直径0.5～5μm，可以达到插入损耗较小，且对比度高的 优化设计，偏振对比度为5-20dB/圈。（2）本发明器件线长度较小（取决于支持棒直径）。（3） 由于本发明的光纤偏振器具有三维立体结构，未来可以用来集成多种光学元件，比如当绕制微 光纤耦合形成谐振腔时，可以制备单偏振谐振腔，这在传感方面具有广泛应用前景。（4）本发 明方法制备简单，成品率高。

附图说明

图1是本发明采用的拉制的微光纤示意图。

图2是本发明实施例采用表面修饰过的支撑棒结构图。

图3是本发明的三维立体全光纤偏振器的结构示意图。

具体实施方式

下面进一步阐明本发明实施过程：

如图1所示为采用成熟的氢气加热标准单模光纤拉伸工艺，制备出均匀的直径～3μm的微 光纤，分为三部分，尾纤1、过渡区2（圆锥状），稳定区3，中间稳定区3的直径约为3μm。 绕制制成偏振器时，选用稳定区部分的微光纤。

图2为表面处理过的支撑棒结构。选用的是PMMA材质、直径约2mm的圆棒4，圆棒要 求表面光滑，这样可以降低微光纤绕上去之后弯曲损耗等导致的期间插入损耗增加。采用蘸取 方法，先将圆棒4均匀蘸涂上一层特氟龙聚合物5（TeflonAF 601S1-100-6，DuPont，产品序 列号800-441-7515）。厚度～100μm的特氟龙涂层等聚合物溶液自然挥发固化后，采用成熟的 石墨烯转移工艺，将石墨烯薄膜6完整均匀转移到圆棒4表面作为偏振选择吸收体，并进行退 火处理。采用化学气相沉积法在铜箔上生长的石墨烯，先在铜箔上旋涂一层PMMA苯甲醚溶 液，PMMA重量比4%；将样品倾斜放置在烘箱中，温度设置为60℃，持续时间30分钟；自 然冷却后，取出样品轻放入0.5mol/L的三氯化铁水溶液中腐蚀去掉铜箔衬底；待铜箔完全溶 解后，将溶液中薄膜（含石墨烯）转移到去离子水中，放置10分钟左右，如此三次；将清洗 过的薄膜转移到圆棒4表面，待薄膜水分自然蒸发后，置于80℃烘箱中，退火30分钟，使 得石墨烯与衬底形成紧密接触，增加石墨烯在衬底粘附力；取出样品后，采用丙酮溶解PMMA 薄膜，溶解时间为10分钟；将样品再放入烘箱中，50℃，保持30分钟，消除石墨烯表面缺 陷，释放应力。

如图3为器件的完整结构图，实现宽带的偏振器，工作波段为1200nm-1700nm。利用三 维旋转台，将制备好的微光纤7绕制在表面处理过的支撑棒上，微光纤7通过范德华力与支撑 棒紧紧结合在一起。要求相邻微光纤7间距较大（～0.1mm），避免微光纤7的相互耦合。

本发明制备出的偏振器，可以实现10dB每圈微光纤的偏振对比度。根据实际运用，绕制 三圈微光纤可以满足应用需求。