一种新型光波与表面等离子波混合集成光纤及其制备方法技术

本发明专利技术提供的是一种新型光波与表面等离子波混合集成光纤及其制备方法，其特征是：所述的新型光波与表面等离子波混合集成光纤包含纤芯、包层和嵌在纤芯内的螺旋金属表面等离子体波导。采用超声打孔的方法在单模光纤预制棒的纤芯偏离中心位置打孔，然后插入镀有金属膜的石英细棒，高温缩棒并螺旋拉纤，制得新型光波与表面等离子波混合集成光纤。本发明专利技术兼具SPP和普通光纤优良特性，可发展新型光电器件。可发展新型光电器件。可发展新型光电器件。

【技术实现步骤摘要】
一种新型光波与表面等离子波混合集成光纤及其制备方法


[0001]本专利技术涉及的是一种表面等离子分布式激发混合波导光纤及其制备方法，属于光纤


技术介绍

[0002]表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是光和金属表面电子共振所引发的一种电磁混合激发态。由于SPP模式在垂直光传播方向上场强会发生指数性衰减，光场通常被限制在金属表面亚波长尺度内，从而突破了衍射极限。这一极具吸引力的性质为集成光学发展打开了一扇新的大门。近年来，作为纳米光学器件研究的一个分支，表面等离子激元波导成为人们的研究热点，现已有研究者提出诸如金属膜、金纳米线表面等离子激元波导，且都能实现亚波长尺度的光场传输。
[0003]Junichi Takahara等,首先理论上研究了圆形金纳米线、金纳米管等在电介质中的SPP传输，并提出此类波导突破衍射极限将电磁场能量束缚在亚波长尺度范围内并传输(Junichi Takahara,Suguru Yamagishi,Hiroaki Taki et al.Guiding of a one
‑
dimensional optical beam with nanometer diameter,Opt.lett.,1997,22(7):475～477)。此后，研究者提出各种类型的SPP波导以期能在稳定偏振态下获得小模场宽度和长传输距离的传输模。比如金属沟道型SPP波导，脊型SPP波导，间隙性SPP波导等。Berini等人发现将金膜嵌入单电介质当中，当金膜厚度在十几纳米时，某些特殊传输模式，即类线偏振长程SPP模，其传输长度可以达到10mm以上(Berini,Pierre.Plasmon
–
polariton modes guided by a metal film of finite width.Optics Letters,1999,24(15):1011
‑
1013)。Jesper Jung等在此基础上提出了基于正方形金纳米线SPP波导，期望未来用于集成光学器件的互联通信。金属纳米管同样有着良好的利用前景，因为结构空心而表现出与实心金属不一样的性质(Kohl,Jesse；Fireman,Micha；O
’
Lcarroll,Deirdre M.Surface plasmon and photonic mode propagation in gold nanotubes with varying wall thickness.Physical Review B,2011,84(23):235118.)。
[0004]普通光纤类型，比如多种高折射率光纤，并不能突破衍射极限。但光纤具有的柔性结构以及多重优良性质，使得光纤传感有着独特的优势。而SPP的研究和应用越来越广泛，但在光纤中的应用很少。利用SPP模式电磁场能量束缚能力强、可保持稳定偏振态、对介质折射率变化敏感，纳米金属结构可同时通电传光等优点，若能够制备成SPP波和传统光纤混合集成的特种光纤，则除了兼具SPP和普通光纤优良特性的同时，还可与普通光纤互联，易形成新型光电器件，应用于多个领域。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种表面等离子分布式激发混合波导光纤。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]一种新型光波与表面等离子波混合集成光纤，如图1所示的是该混合波导光纤1的
三维结构图，所述的新型光波与表面等离子波混合集成光纤包含纤芯1
‑
1、包层1
‑
2和嵌在纤芯内的螺旋金属表面等离子体波导1
‑
3。其端面结构如图2所示。
[0008]优选地，新型光波与表面等离子波混合集成光纤的纤芯和包层的折射率差和单模光纤匹配，纤芯直径和单模光纤纤芯直径相等，目的是单模光纤能和该光纤匹配熔接。
[0009]所述的嵌在纤芯内的螺旋金属表面等离子波导1
‑
3为金属纳米线或金属纳米管。
[0010]所述的嵌入纤芯内的螺旋金属表面等离子体波导的数量n≥1，n为正整数。
[0011]所述的嵌在纤芯内的螺旋金属表面等离子波导的螺距p是固定或变化的。
[0012]如图3所示的是纤芯内嵌有两个金属纳米管的新型光波与表面等离子波混合集成光纤，其中第一表面等离子体波导1
‑
4处于光纤中心，为直波导结构，第二表面等离子体波导1
‑
3偏心分布，偏心距离d，沿着光纤轴向上螺旋分布。
[0013]如图4(a)所示的是纤芯内嵌有两个金属纳米管的新型光波与表面等离子波混合集成光纤，两个表面等离子体波导径向对称分布；如图4(b)所示的是纤芯内嵌有四个金属纳米管的新型光波与表面等离子波混合集成光纤，四个表面等离子体波导对称分布。
[0014]如图5所示的是纤芯内嵌有两个金属纳米管的新型光波与表面等离子波混合集成光纤，两根金属纳米管的偏心距不同；分别为d1和d2。
[0015]如图6所示，以z轴方向传播，x轴方向偏振的光束3输入为例，光束3在输入光波与表面等离子波混合集成光纤的纤芯1
‑
1中后，会在螺旋分布的金属纳米线1
‑
3(或纳米管)上分布式激发出表面等离子波2，其光波和表面等离子波耦合激发原理可简单描述如下：
[0016]如图7所示，螺旋的金属纳米线在xoz面的投影为正弦曲线型，其与光波的波矢相交于多个点，并且波矢方向与正弦曲线的切线方向的夹角为θ。当光波波矢沿着z轴方向传输时，其沿金属纳米线切线方向的波矢可以表示为：
[0017][0018]ε
core
为纤芯的介电常数，ω为光波的角频率，c为光波在真空中的传播速度。
[0019]对于金属纳米线表面产生的表面等离子波的波矢有：
[0020][0021]ε
m
为金属纳米线的介电常数。
[0022]那么光波与表面等离子波发生耦合的条件是：
[0023][0024]因此，只有当金属纳米线的切线方向与光束传输方向在满足一定的夹角关系的时候，光波和表面等离子体波才能发生耦合，故在混合集成光纤内部，偏振光对金属纳米线的激发是分布式的。
[0025]一种新型光波与表面等离子波混合集成光纤的制备方法：
[0026]步骤1：制备一根单模纤预制棒；
[0027]步骤2：使用超声打孔技术，在单模光纤预制棒的纤芯内打孔；
[0028]步骤3：取一根细径石英圆棒，在圆棒的柱体表面镀上一层金属膜，然后将镀膜的
圆棒插入预制棒的孔内；
[0029]步骤4：高温缩棒，然后将预制棒安装在光纤拉丝塔拉丝，拉丝的同时旋转预制棒夹具，制备出纤芯内嵌有螺旋结构金属表面等离子体波导的光纤。
[0030]本专利技术针对微纳光电混合集成器件的需求，在传统波导光纤概念的基础上，通过在光纤芯中，引入可激发与传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型光波与表面等离子波混合集成光纤，其特征是：所述的新型光波与表面等离子波混合集成光纤包含纤芯、包层和嵌在纤芯内的螺旋金属表面等离子体波导。2.根据权利要求1所述的一种新型光波与表面等离子波混合集成光纤，其特征是：所述的嵌在纤芯内的螺旋金属表面等离子体波导的数量n≥1，n为正整数。3.根据权利要求1所述的一种新型光波与表面等离子波混合集成光纤，其特征是：所述的嵌在纤芯内的螺旋金属表面等离子波导为金纳米线或金纳米管。4.根据权利要求1所述的一种新型光波与表面等离子波混合集成光...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，王剑，杨世泰，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：