CN107462948B - 具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用。空芯环状光纤可增大类简并模式间的有效折射率差，从而避免模式间的串扰。刻写在空芯环状光纤上半环的长周期光栅打破了光纤的圆对称结构，实现角向非同阶模式间的转换。当输入光为圆偏振基模时，可产生一阶轨道角动量模式。空芯环状光纤的空芯内填充折射率可调的光学功能材料，产生轨道角动量模式的波长可由液体折射率调谐，故此结构可实现在可调的宽带波长范围内产生轨道角动量模式。仿真表明，当光栅周期为292μm，光栅长度为1.460cm时，角动量模式转换率高于90％的宽带波长范围高达237nm，最大转换率为98.91％，所填充液体折射率对轨道角动量模式产生波长的调制率为7400nm/RIU。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种具有非对称长周期光栅的环状光纤，及其在轨道角动量产生中的应用。
背景技术
光轨道角动量与光相位结构的旋转相对应，揭示了与自旋完全不同的光的另一种自由度，因此备受关注。目前，基于光轨道角动量的应用己在显微成像、目标探测、光通信、射频通信等领域取得了令人瞩目的进展，但同时也存在许多的问题需要解决，光轨道角动量的产生就是其中最根本的一个问题。
在自由空间中产生轨道角动量模式的设备有空间光束调制器，螺旋相位板，柱透镜等。这些方案虽然有效，但大多成本高昂且所需器件体积较大，一定程度上限制了轨道角动量产生技术的发展。
由于光纤较上述空间光学器件而言具有结构紧凑，方式灵活，成本低，损耗小，易与光系统连接，可长距离传输等优点，采用光纤产生光轨道角动量逐渐引起了人们的关注。在光纤中，轨道角动量模式可通过具有π/2相移的本征简并模式HElmx和HElmy(或者EHlmx和EHlmy)的线性组合得到，也就是OAM±(l-1)m＝HElmx±i×HElmy,OAM±(l+1)m＝EHlmx±i×EHlmy。然而，在传统阶跃式折射率分布光纤中，由于HE(l+1)m和EH(l-1)m模式之间的类简并状态，轨道角动量模式被认为不稳定传输。为解决此问题，学者们提出了一些可支持轨道角动量模式稳定传输的特殊光纤，例如反抛物线折射率分布式光纤、高折射率环辅助型光纤、环状光纤等。
目前使用光纤产生光轨道角动量的方法主要有利用微弯光纤光栅、环状光纤、旋转特种光纤及基于光纤光栅的激光器等。微弯光纤光栅由于机械微弯的恢复作用致使其长期稳定性较差，而激光器由于需要较长的稀土掺杂光纤、波分复用器及光纤偏振控制器等，使得其结构尺寸大，系统复杂。此外，多数产生光轨道角动量的光纤结构，例如长周期光纤光栅及基于双布拉格光栅的光纤激光器等结构，只能在单个波下产生轨道角动量模式，使得轨道角动量产生波长较窄且不可调谐。
发明内容
本发明的目的是克服基于全光纤结构的轨道角动量产生的波长带宽窄且不可调谐的不足，提出一种体积小、结构紧凑、灵活的具有非对称长周期光纤光栅的空芯环状光纤用于实现轨道角动量模式的产生，此轨道角动量模式产生方法具有产生波长宽带且波长可调、轨道角动量模式产生效率高的特点。
在空芯环状光纤的上半环刻制非对称长周期光纤光栅，实现在宽带波长范围内的轨道角动量模式转换。通过在光纤的空气芯内填充折射率可调的光学功能材料，例如磁流体、液晶、折射率液等，实现通过环境参数例如磁场、电场、温度等调控所填充液体折射率，进而调控产生轨道角动量模式的波长。此结构提供了一种具有高效率、产生波长宽带且波长可调的轨道角动量产生方法。
具体技术方案为：
一种具有非对称光栅的环状光纤，该环状光纤为空芯结构，其环芯内径a1为0.8～1.3μm，环芯外径a2为2.2～2.8μm，包层半径a3为55～70μm，高折射率环折射率n2为1.469～1.472，包层折射率n3为1.439～1.442；该环状光纤的上半环刻制有非对称光栅，光栅周期Λ为200～400μm，光栅周期个数N为20～80；折射率调制值Δn为2×10-4～4×10-4。
进一步地，该环状光纤为空芯结构，其环芯内径a1为1～1.2μm，环芯外径a2为2.4～2.7μm，包层半径a3为60～65μm，高折射率环折射率n2为1.47～1.471，包层折射率n3为1.44～1.441；该环状光纤的上半环刻制有非对称光栅，光栅周期Λ为220～350μm，光栅周期个数N为40～60；折射率调制值Δn为2.5×10-4～3.5×10-4。上述的具有非对称光栅的环状光纤的制备方法，首先，通过化学气相沉积法和光纤拉制制得空芯环状光纤；然后，将不透光液体填充在空芯环状光纤的空芯内，再进行单侧紫外曝光，实现对上半环周期性的折射率调制，制成具有非对称光栅的空芯环状光纤。
上述具有非对称光栅的环状光纤在轨道角动量产生中的应用，包括如下步骤：
步骤一：将折射率n1为1.33～1.37的光学功能液体填充在环状光纤的空芯内；
步骤二：将波长为1.3～1.8μm的光转换为左旋圆偏振HE11模式或者右旋圆偏振HE11模式作为入射光；
步骤三：将入射光输入具有非对称光栅的环状光纤中，激发至少一阶轨道角动量模式；
步骤四：通过调节环境参数改变光学功能液体的折射率，进而调控产生轨道角动量模式的波长。
进一步地，上述的一阶轨道角动量模式包括OAM+11模式(即OAM+11＝HE21x+i×HE21y)或者OAM-11模式(即OAM-11＝HE21x-i×HE21y)。
进一步地，上述步骤一所述液体为磁流体、液晶、折射率液中的一种。步骤四所述环境参数包括磁场、电场或者温度。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的具有非对称光栅的环状光纤，其空芯及高折射率环的折射率差大于传统光纤纤芯与包层的折射率差，实现类简并模式的有效分离，从而使模式间的串扰可以忽略，利于模式的稳定传输，更适用于实际应用。
(2)本发明提出的具有非对称光栅的环状光纤，在高折射率环的上半环引入周期性折射率调制，形成非对称长周期光纤光栅，实现角向非同阶模式间的转换，解决传统对称结构光栅无法实现角向非同阶模式间的转换的问题；
(3)本发明提出的具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用，在高折射率环中引入上半环折射率调制的非对称长周期光纤光栅，实现在宽带波长范围内轨道角动量模式的产生，解决了多数长周期光纤光栅及基于双布拉格光栅的光纤激光器等结构只能在特定的单谐振波长处产生轨道角动量模式的限制，实现在宽带波长范围内产生轨道角动量模式；
(4)本发明提出的具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用，其空芯结构中填充折射率可调的光学功能材料，通过改变环境参数控制轨道角动量模式产生波长的位置，使得不改变光纤结构参数例如光栅周期即可调节轨道角动量模式产生的波长，使此轨道角动量产生装置具有较高的灵活性和可调谐性。此外，此空芯环状光纤非对称长周期光纤光栅结构产生轨道角动量对光栅结构参数要求较小，可通过环境参数调节填充液体的折射率，来保持轨道角动量产生波长的位置，降低了制作工艺的难度要求。
附图说明
图1为空芯环状光纤结构及其所支持的模式
其中，(a)为本发明所述具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用的空芯环状光纤端面结构示意及折射率分布图；(b)为空芯环状光纤不同尺寸下所支持模式的模式折射率值及模式截止曲线(n1＝1.33,n2＝1.47n3＝1.44λ＝1.55μm)；(c)为不同波长和液体折射率下空芯环状光纤所支持模式的模式间折射率差最小值；
图2为具有非对称光栅的空芯环状光纤结构示意图
图3为具有非对称光栅的空芯环状光纤的模式转换规则及相位匹配条件
其中，(a)为具有非对称光栅的空芯环状光纤模式转换规则，不同强度表示模式电场的矢量分布情况；(b)为基阶HE11模式到TE01,HE21,和TM01模式转换谐振波长与光栅周期关系图，叉形标记代表双波长谐振的转折点；
图4为不同光栅周期下HE11x入射具有非对称光栅的空芯环状光纤结构后不同模式传输功率图
其中，(a)为不同光栅周期下HE11x入射非对称长周期光纤光栅后HE11x传输功率图；(b)为不同光栅周期下HE21x入射非对称长周期光纤光栅后HE11x传输功率图；(c)为不同光栅周期下TE01入射非对称长周期光纤光栅后HE11x传输功率图；(d)为不同光栅周期下HE11y入射非对称长周期光纤光栅后HE11y传输功率图；(e)为不同光栅周期下HE11y入射非对称长周期光纤光栅后HE21y传输功率图；(f)为不同光栅周期下HE11y入射非对称长周期光纤光栅后HE11y传输功率图；
图5为不同光栅周期及折射率下左旋圆偏振HE11模式入射具有非对称光栅的空芯环状光纤结构后不同模式传输功率图，光栅参数为光栅参数为折射率变化值Δn＝2.8×10-4，光栅周期为292μm，光栅周期个数为40。
其中，(a)为不同液体折射率下左旋圆偏振HE11入射非对称长周期光纤光栅后左旋圆偏振HE11传输功率图；(b)为不同液体折射率下左旋圆偏振HE11入射非对称长周期光纤光栅后OAM+11传输功率图；(c)为不同液体折射率下左旋圆偏振HE11入射非对称长周期光纤光栅后TE01传输功率图；(d)为不同液体折射率下左旋圆偏振HE11入射非对称长周期光纤光栅后TM01传输功率图；
图6为不同光栅周期及折射率下左旋圆偏振HE11模式入射具有非对称光栅的空芯环状光纤结构后OAM+11模式传输功率图，光栅参数为折射率变化值Δn＝2.6×10-4，光栅周期为287μm，光栅周期个数为40。
图中：1液体填充的空芯区域；2高折射率环；3光纤包层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合本发明具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及性能优化过程作进一步的详细说明。
实施例1
一种具有非对称长周期光纤光栅的空芯环状光纤，用于实现环内角向非同阶模式之间的转换，包括如下步骤：
步骤1：通过化学气相沉积法和光纤拉制设备制得空芯环状光纤。空芯环状光纤具有高折射率环，实现在高折射率环内传输光。空芯环状光纤的端面如图1(a)所示，空芯内填充液体折射率n1＝1.33-1.37，高折射率环折射率n2＝1.47，包层折射率n3＝1.44。环芯内支持的光束模式可通过调整环芯的内径a1和外径a2决定，如图1(b)所示。环芯光纤尺寸被确定为a1＝1μm且a2＝2.7μm，此参数使得高折射率环只支持前两阶模式组，即6个矢量模式(HE11x，HE11y，HE21x，HE21y，TE01，TM01)，从而避免其他高阶模式的干扰。
步骤2：通过对不透光液体填充的空芯环状光纤进行单侧紫外曝光，实现对上半环周期性的折射率调制，制成具有非对称光栅的空芯环状光纤，其结构如图2所示。高折射率环的上半部分被施加周期性折射率调制，其折射率为n2+Δn，折射率变化值为Δn＝2.8×10-4；下半环折射率保持不变为n2。由于非对称光纤光栅打破了光纤结构的圆对称性，可实现环内角向非同阶模式之间的转换。通过计算耦合系数，可得到半环长周期光纤光栅的模式转换规则，如图3(a)所示。环内模式转换规则为HE11x模式激发HE21x和TE01模式，HE11y模式激发HE21y和TM01模式。在上述光纤参数下，零谐振参数下入射模式和激发模式的相位匹配条件如图3(b)所示。作为一种光栅结构，谐振条件很大程度依赖于光栅周期。
步骤3：通过连接保偏光纤，将HE11x模式作为入射光输入至具有非对称光栅的空芯环状光纤，从而实现角向一阶HE11x入射模式到角向非一阶HE21x和TE01模式的转换；或者通过连接保偏光纤，将HE11y模式作为入射光输入至具有非对称光栅的空芯环状光纤，从而实现角向一阶HE11y入射模式到角向非一阶HE21y和TM01模式的转换。不同光栅周期下的传输光谱如图4所示。当HE11x模式为入射模式时，HE11x，TE01和HE21x的传输光谱分别如图4(a)，4(b)，和4(c)所示。当HE11y模式为入射模式时，HE11y，TM01和HE21y的传输光谱分别如图4(d)，4(e)，和4(f)所示。由图4可看出，谐振波长的位置与图3(b)的预测吻合。此外，由图4可看出，在谐振曲线转折点处的双谐振波长融合在一起，所以入射模式的传输谱将形成一个更宽的谐振谷，这种特性可以用来在宽带操作波长内产生所需模式。此模式转换器具有宽带工作波长，且所需模式的激发波长可受光栅周期调制，对于一个固定周期的长周期光纤光栅，其谐振条件可通过对光栅施加应力来改变。
实施例2
一种具有非对称长周期光栅的空芯环状光纤，用于波长可调谐的轨道角动量模式产生，包括如下步骤：
步骤1：通过化学气相沉积法和光纤拉制设备制得空芯环状光纤。空芯环状光纤具有高折射率环，实现在高折射率环内传输光。空芯环状光纤的端面如图1(a)所示，空芯内填充液体折射率n1＝1.33-1.37，高折射率环折射率n2＝1.47，包层折射率n3＝1.44。环芯内支持的光束模式可通过调整环芯的内径a1和外径a2决定，如图1(b)所示。环芯光纤尺寸被确定为a1＝1μm且a2＝2.7μm，此参数使得高折射率环只支持前两阶模式组，即6个矢量模式(HE11x，HE11y，HE21x，HE21y，TE01，TM01)，从而避免其他高阶模式的干扰。为了使OAM±11模式稳定传输，LP11模式组内成分(HE21，TE01，TM01)的最小有效率折射率差应大于10-4，从而有效避免类简并模式即HE21，TE01，TM01间的串扰。如图1(c)所示，当所填充液体的折射率由1.33变化到1.37，波长由1.35μm到1.8μm范围内，模式间有效折射率差均大于1.3×10-4。
步骤2：通过对不透光液体填充的空芯环状光纤进行单侧紫外曝光，实现对上半环周期性的折射率调制，制成具有非对称光栅的空芯环状光纤，其结构如图2所示。高折射率环的上半部分被施加周期性折射率调制，其折射率为n2+Δn，折射率变化值为Δn＝2.8×10-4；下半环折射率保持不变为n2。由于非对称光纤光栅打破了光纤结构的圆对称性，可实现环内角向非同阶模式之间的转换。通过计算耦合系数，可得到半环长周期光纤光栅的模式转换规则，如图3(a)所示。环内模式转换规则为HE11x模式激发HE21x和TE01模式，HE11y模式激发HE21y和TM01模式。在上述光纤参数下，零谐振参数下入射模式和激发模式的相位匹配条件如图3(b)所示。作为一种光栅结构，谐振条件很大程度依赖于光栅周期，选择光栅周期为292μm，光栅周期个数为40。
步骤3：将光学功能液体，例如磁流体、液晶、折射率液等通过毛细作用或压差法填充到环状光纤光栅的空芯内。
步骤4：将波长为1.3～1.8μm的光转换为左旋圆偏振HE11模式或者右旋圆偏振HE11模式；
步骤5：将左旋圆偏振HE11模式(也就是HE11x+i×HE11y)或右旋圆偏振HE11模式(也就是HE11x-i×HE11y)作为入射光输入至具有非对称光栅的空芯环状光纤中，从而激发一阶轨道角动量模式OAM+11模式或OAM-11模式。因为组成一阶轨道角动量模式OAM+11(OAM+11＝HE21x+i×HE21y)和OAM-11(OAM-11＝HE21x-i×HE21y)的两个矢量模式HE21x和HE21y可以分别通过HE11x和HE11y入射模式激发。
步骤6：调节环境参数例如磁场、电场、温度等来改变所填充光学功能液体折射率，使液体的折射率范围为n1＝1.33～1.37，进而调控产生轨道角动量模式的波长。图5为在不同液体折射率下，左旋圆偏振HE11模式作为入射模通过光栅周期为292μm，光栅周期个数为40的非对称光栅的传输谱图。入射模式的传输损耗由非对称光栅的模式转换过程引起。通过计算环芯光纤中支持的模式可证明OAM+11模式、TE01模式和TM01模式被激发，其对应传输光谱如图5(b)，5(c)，和5(d)所示。当所填充液体折射率从1.34到1.37范围内，在谐振波长处OAM模式的功率转换率均大于90％，相应的OAM模式谐振波长由1583nm移动到1361nm，如图5(b)。谐振波长对填充液体折射率的响应灵敏度为7400nm/RIU。通过优化光栅参数，当光栅周期个数为50时，在谐振波长1.603μm处OAM模式最大功率转换率可达98.91％，OAM模式转换率高于90％的宽带波长范围可高达227nm。
实施例3
一种具有非对称长周期光栅的空芯环状光纤，用于波长可调谐的轨道角动量模式产生，包括如下步骤：
步骤1：同实施例2；
步骤2：通过对不透光液体填充的空芯环状光纤进行单侧紫外曝光，实现对上半环周期性的折射率调制，制成具有非对称光栅的空芯环状光纤，其结构如图2所示。高折射率环的上半部分被施加周期性折射率调制，其折射率为n2+Δn，折射率变化值为Δn＝2.6×10-4；下半环折射率保持不变为n2，光栅周期为287μm，光栅周期个数为40。
步骤3，步骤4，步骤5：同实施例2；
步骤6：调节环境参数例如磁场、电场、温度等来改变所填充光学功能液体折射率，使液体的折射率范围为n1＝1.33～1.37，进而调控产生轨道角动量模式的波长。图6为在不同液体折射率下，左旋圆偏振HE11模式作为入射模通过光栅周期为287μm，光栅周期个数为40的非对称光栅所产生一阶轨道角动量OAM+11的传输谱图。当所填充液体折射率从1.352到1.37范围内，在谐振波长处OAM模式的功率转换率均大于90％，相应的OAM模式谐振波长由1527nm移动到1396nm。谐振波长对填充液体折射率的响应灵敏度为7277nm/RIU。在谐振波长1.396μm处OAM模式最大功率转换率可达98.51％，OAM模式转换率高于90％的宽带波长范围可高达136nm。
Claims (7)
1.一种具有非对称光栅的环状光纤的制备方法，其特征在于，首先，通过化学气相沉积法和光纤拉制法制得空芯环状光纤；然后，将不透光液体填充在空芯环状光纤的空芯内，再进行单侧紫外曝光，实现对上半环周期性的折射率调制，制成具有非对称光栅的空芯环状光纤；该环状光纤用于产生轨道角动量；该环状光纤为空芯结构，其环芯内径a1为0.8~1.3µm，环芯外径a2为2.2~2.7µm，包层半径a3为55~70µm，高折射率环折射率n2为1.469~1.472，包层折射率n3为1.439~1.442；该环状光纤的上半环刻制有非对称光栅，光栅周期Λ为200~400µm，光栅周期个数N为20~80；折射率调制值Δn为2×10-4~4×10-4。
2.根据权利要求1所述的一种具有非对称光栅的环状光纤的制备方法，其特征在于，该环状光纤其环芯内径a1为1~1.2µm，环芯外径a2为2.4~2.6µm，包层半径a3为60~65µm，高折射率环折射率n2为1.47~1.471，包层折射率n3为1.44~1.441；该环状光纤的上半环刻制有非对称光栅，光栅周期Λ为220~350µm，光栅周期个数N为40~60；折射率调制值Δn为2.5×10-4~3.5×10-4。
3.权利要求1所述方法制备得到的具有非对称光栅的环状光纤在轨道角动量产生中的应用，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将折射率n1为1.33~1.37的光学功能液体填充在环状光纤的空芯内；
步骤二：将波长为1.3~1.8µm的光转换为左旋圆偏振HE11模式或者右旋圆偏振HE11模式作为入射光；
步骤三：将入射光输入具有非对称光栅的环状光纤中，激发至少一阶轨道角动量模式；
步骤四：通过调节环境参数改变所填充液体的折射率，进而调控产生轨道角动量模式的波长。
4.根据权利要求3所述具有非对称光栅的环状光纤在轨道角动量产生中的应用，其特征在于，所述的一阶轨道角动量模式包括OAM+11模式或者OAM-11模式。
5.根据权利要求3或4所述具有非对称光栅的环状光纤在轨道角动量产生中的应用，其特征在于，步骤一所述光学功能液体为磁流体、液晶、折射率液中的一种。
6.根据权利要求3或4所述具有非对称光栅的环状光纤在轨道角动量产生中的应用，其特征在于，步骤四所述环境参数包括磁场、电场或者温度。
7.根据权利要求5所述具有非对称光栅的环状光纤在轨道角动量产生中的应用，其特征在于，步骤四所述环境参数包括磁场、电场或者温度。
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