CN106483603B

CN106483603B - 一种可调谐轨道角动量光纤耦合器及其制备方法

Info

Publication number: CN106483603B
Application number: CN201611036828.8A
Authority: CN
Inventors: 杨中民; 张智深; 甘久林; 衡小波; 徐善辉; 杨昌盛
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2036-11-23
Also published as: CN106483603A

Abstract

本发明公开了一种可调谐轨道角动量光纤耦合器及其制备方法，包括第一多轴位移台、第二多轴位移台、第一OAM光纤、第二OAM光纤、填充低折射率材料的封装容器，两个OAM光纤分别相应固定于多轴位移台上，OAM光纤的中间部分为微纳光纤，微纳光纤位于填充低折射率材料的封装容器OAM光纤耦合器能有效避免OAM空间光调控器件导致的高插入损耗。相比于传统的光纤耦合器，本发明采用两段独立的微纳光纤来取代传统熔融成一体的耦合区，能够实现单一的OAM模式高纯度（>99%）、高效率（>95%）地进行耦合。本发明中使得耦合器能够实现分光比可调、中心波长可调、耦合模式可调。本发明提供的光纤耦合器结构简单，易于制备，便于产业化生产、大规模应用于OAM光纤通信系统中。

Description

一种可调谐轨道角动量光纤耦合器及其制备方法

技术领域

本发明涉及到光纤通信领域，尤其是一种可调谐轨道角动量（Orbital angularmomentum，OAM）光纤耦合器及其制备方法。

背景技术

随着移动互联网，物联网和云计算等信息技术的快速发展，社会经济生活对光纤通信系统容量的需求呈指数级增长。现有的单模光纤通信系统容量也随着时分复用技术、波分复用技术和偏振复用技术的广泛应用而逐年增长。然而，单模光纤通信系统的容量是存在极限值的。为了传递更多的信息，单模光纤内的能量密度逐步增长，并逐步引发自相位调制、四波混频等非线性效应，使得通信系统无法正常工作。为解决这一难题，需要发展新的复用技术。例如，模分复用技术采用多个光波导模式同时进行信息传输，将现有的单模光纤升级为特别设计的多模光纤，能从根本上增加通信系统的容量。在模分复用技术中，OAM光通信由于其理论上能将现有的通信容量扩展至无限大，成为国际通信领域的研究热点之一。

OAM光通信指利用具有不同OAM的光模式来进行多维信息通信。目前， OAM光纤通信的初步演示系统已经成功搭建并实现功能。在该系统，多个携带信息的OAM光能同时在一根光纤中传输。然而，该系统对于OAM光的调控（包括上行/下载，分束，转换等）均依赖于空间光元器件，无法在光纤中实现，从而使得整个系统结构复杂，稳定性差，难以进行实用化和产业化推广。借鉴于单模光纤通信系统发展历程，光纤耦合器能有效解决上述问题。因此，现在亟需研制出适用于OAM光纤通信系统的光纤耦合器。

目前，OAM光纤主要有环型芯结构、圆柱芯结构和光子晶体结构。相关的耦合器研制尚处于理论设计水平。对于环型芯结构，拉锥后并不适合传输OAM光，因此该类型的OAM光纤耦合器最好采用研磨法进行制备，而研磨法制作工艺相对复杂，不利于产业化推广。对于圆柱芯结构，拉锥后也能有效传输OAM光，特别适合用于制备熔锥型耦合器。熔锥法是被广泛应用于单模光纤耦合器的制备中，技术成熟，工艺如下：将两根光纤并排，经拉锥后两根光纤会熔融成一体形成稳定的耦合区并实现能量的交换。值得注意的是，熔融成一体的耦合区结构会具有一定的双折射特性，使得不同偏振方向的光具有不同的耦合效应。而光纤中的OAM模式是混合偏振模式，即单个OAM模式同时包含了水平和垂直偏振方向的光分量。因此，熔融成一体的耦合区结构不利于高纯度，高效率地进行OAM光耦合。此外，以上两种类型的耦合器均为固定结构，而实际应用中常常需要分光比可调、中心波长可调、耦合模式可调的OAM光纤耦合器。因此，目前迫切需要一种可调谐OAM光纤耦合器，以推进OAM光纤通信系统的产业化发展。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种可调谐的OAM光纤耦合器及其制备方法。本发明提供的耦合器结构简单，制备方法与现有技术兼容，实现分光比可调、中心波长可调、耦合模式可调的OAM光纤耦合器。本发明的目的在于为OAM光纤通信系统提供光纤型的OAM光调控器件。

一种可调谐的OAM光纤耦合器，其包括第一多轴位移台、第二多轴位移台、第一OAM光纤、第二OAM光纤、填充低折射率材料的封装容器，第一OAM光纤、第二OAM光纤分别相应固定于第一多轴位移台、第二多轴位移台上，第一OAM光纤中间部分为第一微纳光纤，第二OAM光纤的中间部分为第二微纳光纤，第一微纳光纤和第二微纳光纤位于填充低折射率材料的封装容器。

进一步地，第一OAM光纤、第二OAM光纤为相同或者不同的型号，第一微纳光纤和第二微纳光纤具有相同或者不同的折射率和结构尺寸。

进一步地，第一微纳光纤和第二微纳光纤的长度为2～6 cm。

进一步地，第一微纳光纤和第二微纳光纤的半径为0.1～10 μm。

进一步地，第一微纳光纤和第二微纳光纤各自弯曲成U形结构，第一微纳光纤和第二微纳光纤悬空在第一多轴位移台、第二多轴位移台上。

进一步地，第一多轴位移台、第二多轴位移台之间的距离可调，使第一微纳光纤和第二微纳光纤的间距为d，相互正对重叠的长度为L；所述的d取值为0～20 μm；L取值为0～5cm。

制备所述一种可调谐的OAM光纤耦合器的方法，其包括如下步骤：

步骤一：依次制备两个微纳光纤即第一微纳光纤和第二微纳光纤，将一段OAM光纤剥去涂覆层后固定在光纤拉锥系统的光纤夹持装置上，经预热后拉伸2～6 cm，制得第一微纳光纤，对另一段OAM光纤采取相同操作，制得第二微纳光纤，制备的微纳光纤的半径为0.1～10 μm；

步骤二：将第一微纳光纤和第二微纳光纤弯曲成U形型结构，并将其固定在相应的多轴位移台上，固定后需要保持相应的微纳光纤处于悬空的状态；

步骤三：调整两个多轴位移台，使得第一微纳光纤和第二微纳光纤的间距为d，重叠长度为L；所述的d取值为0～20 μm；L取值为0～5 cm；

步骤四：将调整好的第一微纳光纤和第二微纳光纤放置于封装容器中，在容器中填充折射率小于1.444的材料。

进一步地，所述的材料是空气或水。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明提出的OAM光纤耦合器结构简单，与现有的光纤耦合器制备技术（例如熔锥法等）兼容，便于大规模产业化生产。

2、本发明能实现单一的OAM模式高纯度（>99%），高效率（>95%）地进行耦合，有效简化了现有的OAM光纤通信系统中对于OAM光的调控装置。

3、本发明能在线实时地实现分光比可调、中心波长可调、耦合模式可调，极大地拓展了OAM光纤耦合器的应用范围。

附图说明

图1为实例中可调谐OAM光纤耦合器的结构示意图。

图2为示例所述的OAM光纤耦合器的<+1, +1>模式的耦合效率图。

图3为示例所述的OAM光纤耦合器的<+1, +2>模式的耦合效率图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

图1是本发明的可调谐OAM光纤耦合器一个示例的结构示意图，包括第一多轴位移台1、第二多轴位移台7、第一OAM光纤2、第二OAM光纤6、填充低折射率材料的封装容器4，第一OAM光纤2、第二OAM光纤6分别相应固定于第一多轴位移台1、第二多轴位移台7上，第一OAM光纤2中间部分为第一微纳光纤3，第二OAM光纤6的中间部分为第二微纳光纤5，第一微纳光纤3和第二微纳光纤5位于填充低折射率材料的封装容器4。第一OAM光纤2、第二OAM光纤6为相同或者不同的型号，第一微纳光纤3和第二微纳光纤5具有相同或者不同的折射率和结构尺寸。第一微纳光纤3和第二微纳光纤5的长度为2～6 cm。第一微纳光纤3和第二微纳光纤5的半径为0.1～10 μm。第一微纳光纤3和第二微纳光纤5各自弯曲成U形结构，第一微纳光纤3和第二微纳光纤5悬空在第一多轴位移台1、第二多轴位移台7上。

第一多轴位移台1、第二多轴位移台7可以采用三维平移台。

本实例采用的OAM光纤参数如下：纤芯直径为 7.6 μm，纤芯中间最大折射率为1.56，折射率呈梯度渐变分布，逐渐降低至纤芯边缘处的折射率为1.444；包层直径125 μm，包层折射率为1.444。

本实例所述的可调谐OAM光纤耦合器制备步骤如下：

步骤一：依次制备微纳光纤两个。将一段OAM光纤剥去涂覆层后固定在火焰拉锥系统的光纤夹持装置上，点燃氢氧焰预热拉伸6 cm，熄灭氢氧焰。对另一段OAM光纤采取相同操作。制备的微纳光纤的直径均为2.2 μm，长度均为3 cm。

步骤二：固定微纳光纤。将一个制备的微纳光纤弯曲成U形结构，并将其固定在一个三维平移台上，固定后需要保持微纳光纤处于悬空的状态。对另一段微纳光纤采用相同操作固定在另一个三维平移台上。

步骤三：调整OAM耦合器结构。调整两个三维平移台，使得两段微纳光纤的间距为1μm，重叠长度为1 cm。

步骤四：封装OAM耦合器结构。将调整好的微纳光纤放置于封装容器中，容器中充满空气（折射率为1）。

本实例的可调谐OAM光纤耦合器的具体工作方式为：通过调整两个微纳光纤的间距d实现特定的OAM模式发生耦合，通过调整两各微纳光纤的重叠长度L实现特定波长处特定的分光比。OAM模式可以用符号<s, l>来表述，s取值为±1，表示左旋光或右旋光；l是拓扑荷数，表示顺时针环绕一周后OAM模式光场相位的变化量与2π的比值。

当微纳光纤的间距d小于1.1 μm时，本实例的可调谐OAM光纤耦合器的耦合区结构双折射较强，单一的OAM模式无法高纯度高效率地发生耦合。例如，在一个OAM光纤输入中注入<+1, +1>模式，耦合器的两个输出端中均会得到TE₀₁、TM₀₁和<+1, +1>模式，具体功率分配与重叠长度L有关。因此，传统熔锥型光纤耦合器中，熔融成一体的耦合区结构并不适合单一的OAM模式无法高纯度高效率地发生耦合。

当微纳光纤的间距d调整为1.1 μm时，本实例的可调谐OAM光纤耦合器可以实现<+1, +1>模式（或者<-1, -1>模式）的高纯度高效率耦合。如图2所示，当波长为1550 nm时，调整重叠长度L为0～1228 μm之间，可以实现<+1, +1>模式的耦合效率为0～96.2%，纯度超过99%。若固定分光比为50:50，调整重叠长度 QUOTE 为520～736 μm之间，可以实现中心波长为1520～1580 nm的OAM光一阶模式的光纤型3dB耦合器。

当微纳光纤的间距d调整为3.3 μm时，本实例的可调谐OAM光纤耦合器可以实现<+1, +2>模式（或者<-1, -2>模式）的高纯度高效率耦合。如图3所示，当波长为1550 nm时，调整重叠长度L为0～2.4 cm之间，可以实现<+1, +2>模式的耦合效率为0～99%，纯度超过99.97%。同样地，调整重叠长度L为1.25 cm附近，可以实现中心波长为1520～1580 nm分光比为50:50的OAM光二阶模式的光纤型3dB耦合器。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种可调谐的OAM光纤耦合器，其特征在于包括第一多轴位移台(1)、第二多轴位移台(7)、第一OAM光纤(2)、第二OAM光纤(6)、填充低折射率材料的封装容器(4)，第一OAM光纤(2)、第二OAM光纤(6)分别相应固定于第一多轴位移台(1)、第二多轴位移台(7)上，第一OAM光纤(2)中间部分为第一微纳光纤(3)，第二OAM光纤(6)的中间部分为第二微纳光纤(5)，第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)位于填充低折射率材料的封装容器(4)；第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)各自弯曲成U形结构，第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)悬空在第一多轴位移台(1)、第二多轴位移台(7)上；第一多轴位移台(1)、第二多轴位移台(7)之间的距离可调，使第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)的间距为d，相互正对重叠的长度为L；所述的d取值为0～20μm；L取值为0～5cm。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐的OAM光纤耦合器，其特征在于第一OAM光纤(2)、第二OAM光纤(6)为相同或者不同的型号，第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)具有相同或者不同的折射率和结构尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种可调谐的OAM光纤耦合器，其特征在于第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)的长度为2～6cm。

4.根据权利要求1所述的一种可调谐的OAM光纤耦合器，其特征在于第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)的半径为0.1～10μm。

5.制备权利要求1所述一种可调谐的OAM光纤耦合器的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：依次制备两个微纳光纤即第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)，将一段OAM光纤剥去涂覆层后固定在光纤拉锥系统的光纤夹持装置上，经预热后拉伸2～6cm，制得第一微纳光纤(3)，对另一段OAM光纤采取相同操作，制得第二微纳光纤(5)，制备的微纳光纤的半径为0.1～10μm；

步骤二：将第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)弯曲成U形结构，并将其固定在相应的多轴位移台上，固定后需要保持相应的微纳光纤处于悬空的状态；

步骤三：调整两个多轴位移台，使得第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)的间距为d，重叠长度为L；所述的d取值为0～20μm；L取值为0～5cm；

步骤四：将调整好的第一微纳光纤(3)和第二微纳光纤(5)放置于封装容器中，在容器中填充折射率小于1.444的材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的材料是空气或水。