芯包组分调控的结构复合玻璃光纤的优化

芯包组分调控的结构复合玻璃光纤是将功能材料集成到结构复合玻璃光纤的纤芯或包层中而产生的一类复合玻璃光纤。利用功能材料的光学、力学等特性对光纤进行调控，实现特定的功能，如偏振态调控或模式选择等。

当光纤纤芯具有非旋转对称结构时，将导致双折射，即光传播常数对于沿纤芯截面主轴方向的两个偏振态有不同值；而光场偏振态的调控对于光隔离器、滤波器和光纤传感器等器件非常重要。为了实现对纤芯中传输光场的偏振态控制，需要对光纤双折射进行调控。调控光纤双折射的技术主要有两种：材料内部应力［56］和非旋转对称结构［57］。Chesini等［58］首次将合金AuSn集成到光子晶体光纤的包层区域中，实现对光纤双折射和偏振态的调控，如图4－12所示。研究证明，通过对两个7 cm长金属芯施加1 V的电压，获得了偏振调控。随后，Reyes－Vera等将金属In集成到光子晶体光纤中，研究了双折射效应的温度敏感性［59］。

随着大面积石墨烯化学气相沉积和转移技术的发展，Bao等［60］于2011年将原子级石墨烯和D形光纤复合，如图4－13所示，实现了TE模式偏振控制。此后，Zhou等［61］设计了全光纤石墨烯可调偏振控制器，其端面示意图如图4－14所示，验证了TE或TM模式偏振控制在一定范围不受温度影响。

图4－12　光子晶体光纤复合截面扫描电镜图像［58］

（a）AuSn－硼硅酸盐光子晶体光纤；（b）AuSn－石英光子晶体光纤

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图4－13　石墨烯－D形光纤复合的偏振控制示意图，LG为传播距离［60］

图4－14　全光纤石墨烯可调偏振控制器端面示意图［61］

光纤模式选择是指光纤中不同横模之间的选择，其在模式复用光纤通信系统、高阶横模产生和光纤激光器等方面有着广泛应用。常见的模式选择主要有三种：光纤光栅［62］、光纤耦合器［63］和光子灯笼［64］。Uebel等［65］将金属纳米线集成到光子晶体光纤纤芯区域构成复合玻璃光纤，属于光纤耦合器类型，如图4－15所示。相对于普通模式选择光纤，该复合玻璃光纤能够在更宽的带宽内实现较大的角向偏振消光比［66，67］。经过该复合玻璃光纤后，基模、径向偏振模式和角向偏振模式的磁场分量在金属纳米线内分布比例不同［68］。相比于角向偏振模式，金属纳米线中基模和径向偏振模式的磁场分量占比要高一个数量级，传输损耗更大（见图4－15b）。研究表明，将自然偏振光注入该复合玻璃光纤中，仅需厘米级长度，就可以获得角向偏振光束，偏振消光比大于1∶104，且有效工作带宽为0.61.4μm［65］。该复合玻璃光纤将自然偏振光转换为角向偏振光束的效率约10%，能够满足大多数模式选择领域的应用需求。

图4－15　模式选择复合玻璃光纤［65］

（a）光纤的工作原理和几何形状（黄色表示金纳米线，浅蓝色表示石英玻璃，灰色表示空气孔），LP、CP、UP分别表示线偏振光、圆偏振光和非偏振光，AP表示角向偏振光；（b）模拟偏振器结构的模式特性：上面部分为模拟的三个重要模式的衰减谱（虚线表示金的介电函数的虚部），下面部分为角向偏振模式损耗实验和理论值，插图为金属－玻璃复合光纤部分端面的扫描电镜图像