微结构锯齿形空芯光纤的制作方法

微结构锯齿形空芯光纤的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光学领域，涉及一种微结构锯齿形空芯光纤，尤其涉及一种用于高效产生和高效传输多级涡旋光束的微结构锯齿形空芯光纤。
【背景技术】
[0002]具有特殊螺旋波前结构和光子轨道角动量的涡旋光束，在新一代光通信技术及量子信息传输技术领域的应用前景十分广阔。为了适应OAM光通信系统应用的要求，目前已经有人提出了基于无源光纤器件产生涡旋光束的方法。
[0003]南加州大学的Willner教授自2011年以来，先后设计了两种光纤耦合器来实现高斯束到OAM光束的转换.利用四个微光纤各自输入具有特定相位、偏振态和椭圆率的厄米高斯光束，并均耦合到居于中心的环形光纤中，再通过模式叠加，在环形光纤中实现了 OAM光束的产生。这样的OAM产生方法对外部四个微光纤的输入光有特定的要求，需要做特别的预处理，需要多个额外的辅助光器件，最终造成系统功能的实现非常复杂，不便于推广应用。
[0004]随后，该小组又设计了改进型OAM模式耦合器。该OAM模式耦合器是将前述耦合器的四个外部微光纤的输入功能整体简化，等效成为一个方芯光纤，并将该光纤置于环形光纤的内部。当方形微光纤芯中输入圆偏振模时，最终耦合到环形光纤中生成的模式为0ΑΜ。已经发现该耦合器生成了拓扑荷数从±1到±9的OAM模式。并且通过改变方形光纤中四个圆角的曲率半径，其模式纯度可以调节至96.4%以上。这种改进型的OAM光纤耦合器，在结构上只需要一个输入光纤，减小了加工复杂度，并且只要求输入一束圆偏振光就可以产生OAM模式，降低了对输入光束相位和偏振方向等方面的要求。这类OAM光纤耦合器在光纤上实现了 OAM光束的产生，不仅突破了传统空间OAM光束产生装置的复杂与庞大等缺陷，同时也有利于OAM光纤通信技术的推广和发展。
[0005]然而，这两种OAM光纤耦合器存在一个共同的缺点就是波导色散较大。色散大将使高阶OAM模对波长的变化很敏感，导致高级OAM模式不稳定。因此，目前难以产生纯度好的高阶OAM模式。
[0006]Willner教授领导的研宄组为解决上述问题，在2012年又设计了一款基于光子晶体光纤(PCF)的新型OAM模式转换器。利用特殊微结构的PCF对输入的厄米高斯光束进行模式变换，得到了一系列涡旋本征模。该PCF选用As2S3作为PCF的背景材料，其与空气的折射率之比为2.44:1。这种较大折射率差可以减少各本征模式之间的简并，避免了对已生成的OAM模的干扰，从而保证OAM模式的纯度。该PCF在1475_1997nm波长范围内，色散小于60ps/nm/km，甚至在传输波长达2000nm时，损耗仍低于0.03dB/m。色散与损耗的减小意味着PCF在产生高拓扑荷的OAM光束方面比普通光纤更胜一筹。但是As2S3材料不仅有毒，而且价格昂贵，制造光纤的成本尚。
[0007]德国的G.K.L.Wong等人最近在SCIENCE杂志上又报道了一种螺旋型PCF模式转换器。该器件可以产生多级OAM模式。该器件除了具备上述PCF器件所具有的优点之外，螺旋PCF中产生的OAM拓扑荷还随着光纤结构参数(如光纤长度、光纤孔径、孔间距、扭曲率等)的变化而发生改变，因而具有了产生多级OAM模式的特性。但是其螺旋型微结构太复杂，不适合规模化制造。
[0008]与上述的光纤转换器件相比，光波导器件具有性能稳定、体积小、成本低、模式控制较为便捷和易于集成等优点，因而采用平面光波导器件实现OAM模式的产生也极具发展潜力。英国布里斯托大学的研宄小组2012年在《SCIENCE》上也报道了硅集成OAM涡旋光束发射器的研宄成果，该发射器最小半径为3.9 μ m。在该硅基波导中传输的厄米高斯光，首先耦合到内壁附有周期锯齿状突起的环形波导中，在环形波导内产生回音壁模式。由于锯齿的存在，从锯齿处出射的光束在环形波导外部发生干涉，进而使得光波矢发生变化，最终在锯齿环波导上方发射出多级OAM涡旋光。该涡旋光束发射器具有相位敏感度低、直接产生多拓扑荷的涡旋光束的特点，且该波导器件体积小、容易实现规模集成与级联。但是，这种器件的最大缺点是输入的高斯光束的利用率很低，转换效率只有3-13%左右，如此低的转化率对于实际应用是不现实的。
[0009]同时，我国有关OAM光通信的研宄也取得了可喜的进步。华中科技大学、中山大学、清华大学、北京理工大学、浙江大学，哈尔滨理工大学，以及中南民族大学等单位在OAM信号的大气传输和OAM光产生器件方面都做出了创新性工作。但是国内的研宄，大多都集中于理论研宄工作方面，关于OAM光纤产生器件的研宄非常缺乏。
【实用新型内容】
[0010]为了解决【背景技术】中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种能够满足多级涡旋光束高品质传输需求以及高效转换高斯光束为多级涡旋光束的需求的微结构锯齿形空芯光纤。
[0011]本实用新型的技术解决方案是:本实用新型提供了一种微结构锯齿形空芯光纤，其特殊之处在于:所述微结构锯齿形空芯光纤包括包层、外表面的截面呈锯齿形的空芯区以及内表面的截面呈锯齿形的环芯区；所述内表面的截面呈锯齿形的环芯区套装在外表面的截面呈锯齿形的空芯区外部并与外表面的截面呈锯齿形的空芯区啮合在一起；所述包层套装在内表面的截面呈锯齿形的环芯区的外部；所述包层内均布有空气微孔；所述外表面的截面呈锯齿形的空芯区的折射率、内表面的截面呈锯齿形的环芯区的折射率以及包层的折射率分别是1.000、1.530以及1.269。
[0012]上述外表面的截面呈锯齿形的空芯区的厚度、内表面的截面呈锯齿形的环芯区的厚度以及包层的厚度所满足的条件是16:1:3。
[0013]上述外表面的截面呈锯齿形的空芯区以及内表面的截面呈锯齿形的环芯区上的锯齿的横截面均呈正方形；所述正方形的边长、内表面的截面呈锯齿形的环芯区的厚度以及包层的厚度所满足的条件是3:10:30o
[0014]上述包层内的空气微孔包括自内而外依次排列的且空气微孔数量相同的第一层空气微孔、第二层空气微孔以及第三层空气微孔。
[0015]上述第一层空气微孔、第二层空气微孔以及第三层空气微孔的数量均是56个。
[0016]上述第一层空气微孔间的孔距、第二层空气微孔间的孔距以及第三层空气微孔间的孔距所满足的条件是1.0:1.1:1.2。
[0017]本实用新型的的优点是:
[0018]本实用新型提供了一种全新的微结构锯齿形空芯光纤，该微结构锯齿形空芯光纤包括包层、外表面的截面呈锯齿形的空芯区以及内表面的截面呈锯齿形的环芯区；内表面的截面呈锯齿形的环芯区套装在外表面的截面呈锯齿形的空芯区外部并与外表面的截面呈锯齿形的空芯区啮合在一起；包层套装在内表面的截面呈锯齿形的环芯区的外部；包层内均布有空气微孔；外表面的截面呈锯齿形的空芯区的折射率、内表面的截面呈锯齿形的环芯区的折射率以及包层的折射率分别是1.000,1.530以及1.269。本实用新型所提供的微结构锯齿形空芯光纤用于高效产生和高效传输多级涡旋光束，涡旋光束可以在该微结构光纤上产生，从而降低了涡旋光波导器件及系统的制造成本，能够满足多级涡旋光束高品质传输需求，以及高效转换高斯光束为多级涡旋光束的需求。
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型所提供的微结构锯齿形空芯光纤的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]本实用新型提供的技术方案所依据的原理是:
[0021]通过采用COP作为涡旋光纤的结构材料，以亚波长锯齿形结构，来达到高纯度分离不同级数涡旋光束的设计要求；以微孔包层式结构，来达到即调节折射率又降低 损耗，增加光纤柔性的设计要求。在此基础上制备出高质量(无杂质、无气泡)、大尺寸(7厘米直径，50厘米长度)的环状锯齿形的涡旋光纤预制棒；掌握不同结构的预制棒热成型的最佳工艺条件；以最佳工艺，制备出高品质预制棒；用该预制棒拉出可用于构建产生和传输多级涡旋光束的涡旋光纤样品。
[0022]研制的微结构涡旋光纤的各项技术指标和基本性能参数如下:
[0023]A.用于太赫兹波(300 μ m波长)传输的涡旋光纤，内部有3层空气孔达到调节折射率和降低损耗的目的，如图1所示:
[0024]微结构涡旋光纤有效直径:2400 μ m ；
[0025]长度大于50m ；
[0026]圆内空芯直径1600 μ m，有效折射率为1.000 ；
[0027]包层厚度300 μ m，微孔直径86 μ m，有效折射率1.269 ；
[0028]环形芯宽度100 μ m，有效折射率最大为1.530 ；
[0029]锯齿形长度和宽度均为30 μ m，有效折射率为1.530 ；
[0030]传输损耗彡0.4dB/M ；
[0031]使用温度范围-40?85°C ;
[0032]多级涡旋光的高效产生与传输器件研制成功与否将涉及两个关键科学问题:第一，光纤采取怎样的微结构，才能使入射的高斯模高效转化成多级涡旋模的理论问题，第二，多级涡旋模能否在波导介质中高效传输。
[0033]针对关键科学问题的解决方案:
[0034]第一:为高效转化高斯束为涡旋束，拟采取环状锯齿形光栅结构，这是一种特殊的二维光栅结构，从每一个锯齿出来的圆偏振光存在一定的相位差，从而发生互相干涉形成具有不同轨道角动量的涡旋态模。对于不同轨道角动量涡旋光的高效传输，采取在空气中传输的方式，实现低损耗，高速度传输。这在现有报道中的各种涡旋光转换光纤中是无法实现的，即使在最近报道的所有涡旋光纤中，也是不可能实现的。
[0035]第二，设计光纤波导的首要问题是选用在传输波长具有尽可能低损耗的材料，以提高光纤的固有传输效率。为了在实验室允许的条件下研制出设计的微结构涡旋光纤样品，拟选择在可见光、红外光、太赫兹波段具有高透明性的环烯烃聚合物(COP)作为基质材料，达到验证所设计的微结构涡旋光纤对于传输和产生涡旋光束的有效性的目的。为降低非固有损耗，将设计精密的工艺流程:从预制棒制备到拉丝工艺研宄，都采用在超净车间按流水线作业。
[0036]虽然有多种聚合物材料在可见区、红外区、太赫兹区的多个波长处，都存在低损耗窗口，但本实用新型更青睐在中红外、太赫兹波段有最好透明性的COP为聚合物涡旋光纤的基质材料。近年已经有很多研宄证明:环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物(COC)比通用的有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有更优良的光学性质。因此，采用COP作为涡旋光纤的结构材料，拉制更细径的微结构涡旋光纤。该光纤当然也可以用于可见光区，或红外、中红外区域，但是在实验室目前的实验条件下，研宄在太赫兹波段的情况比较方便。计划重点研宄传输300 Um(ITHz)附近的太赫兹涡旋束的产生、传输的光纤样品。
[0037]具体研宄过程如下:
[0038]1、汲取国外以及课题组已经拥有的聚合物光纤波导以及微结构光纤理论设计和方法经验，结合高分子材料的热力学特性，设计出既能保证低损耗、高带宽传输，又要保证制造、安装使用上便利性的波导结构与力学结构。
[0039]2、环状锯齿形空芯微结构光纤预制棒模具的结构设计与制造:
[0040]从金属材料热力学、COP热流变学考虑在热挤出加工时模具受力、模具安装拆卸的便利性出发设计、制造模具。
[0041]3、环状锯齿形空芯微结构光纤预制棒热挤出成型工艺研宄:
[0042]用挤出机挤出预制棒是热力学过程，包括加热软化、在螺杆作用下的塑化、进入模具后的加压、保压定型、预制棒脱模过程；要防止材料在加工中老化变质、防止气泡产生。
[0043]4、环状锯齿形空芯微结构光纤预制棒拉伸工艺研宄:
[0044]预制棒热拉伸成纤维也是热力学过程，包括加热软化、在牵引力作用下的伸长、冷却定型、收丝；要防止预制棒在加热拉伸过程中老化变质、防止微结构塌陷或变形。
[0045]5、环状锯齿形空芯微结构光纤传输特性的总结:
[0046]测试微结构光纤的各项技术参数，与理论设计参数进行对比，不断积累经验，改进工艺，最终达到预期的光纤设计指标。
[0047]实验手段:
[0048]为保证设计结构的实现，必须降低非固有损耗，这主要是要克服人为因素，保证原材料纯度在99.999%级，还需要设计精密的工艺流程:从模具清洗到安装，挤出、脱模都要在干燥、超净的车间按流水线作业进行，保证微结构光纤、预制棒的高品质。
【主权项】
1.一种微结构锯齿形空芯光纤，其特征在于:所述微结构锯齿形空芯光纤包括包层、外表面的截面呈锯齿形的空芯区以及内表面的截面呈锯齿形的环芯区；所述内表面的截面呈锯齿形的环芯区套装在外表面的截面呈锯齿形的空芯区外部并与外表面的截面呈锯齿形的空芯区啮合在一起；所述包层套装在内表面的截面呈锯齿形的环芯区的外部；所述包层内均布有空气微孔；所述外表面的截面呈锯齿形的空芯区的折射率、内表面的截面呈锯齿形的环芯区的折射率以及包层的折射率分别是1.000,1.530以及1.269。
2.根据权利要求1所述的微结构锯齿形空芯光纤，其特征在于:所述外表面的截面呈锯齿形的空芯区的厚度、内表面的截面呈锯齿形的环芯区的厚度以及包层的厚度所满足的条件是16:1:3。
3.根据权利要求2所述的微结构锯齿形空芯光纤，其特征在于:所述外表面的截面呈锯齿形的空芯区以及内表面的截面呈锯齿形的环芯区上的锯齿的横截面均呈正方形；所述正方形的边长、内表面的截面呈锯齿形的环芯区的厚度以及包层的厚度所满足的条件是3:.10:30.
4.根据权利要求1或2或3所述的微结构锯齿形空芯光纤，其特征在于:所述包层内的空气微孔包括自内而外依次排列的且空气微孔数量相同的第一层空气微孔、第二层空气微孔以及第三层空气微孔。
5.根据权利要求4所述的微结构锯齿形空芯光纤，其特征在于:所述第一层空气微孔、第二层空气微孔以及第三层空气微孔的数量均是56个。
6.根据权利要求5所述的微结构锯齿形空芯光纤，其特征在于:所述第一层空气微孔间的孔距、第二层空气微孔间的孔距以及第三层空气微孔间的孔距所满足的条件是1.0:.1.1:1.2。
【专利摘要】本实用新型涉及一种微结构锯齿形空芯光纤，包括包层、外表面的截面呈锯齿形的空芯区以及内表面的截面呈锯齿形的环芯区；内表面的截面呈锯齿形的环芯区套装在外表面的截面呈锯齿形的空芯区外部并与外表面的截面呈锯齿形的空芯区啮合在一起；包层套装在内表面的截面呈锯齿形的环芯区的外部；包层内均布有空气微孔；外表面的截面呈锯齿形的空芯区的折射率、内表面的截面呈锯齿形的环芯区的折射率以及包层的折射率分别是1.000、1.530以及1.269。本实用新型提供了一种能够满足多级涡旋光束高品质传输需求以及高效转换高斯光束为多级涡旋光束的需求的微结构锯齿形空芯光纤。
【IPC分类】G02B6-02, G02B6-036
【公开号】CN204613442
【申请号】CN201520296410
【发明人】王丽莉, 张晓东, 孔德鹏, 袁苑
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月8日