CN110596810A - 涡旋光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡旋光纤，所述涡旋光纤包括热膨胀纤芯层、折射纤芯层以及包层，所述热膨胀纤芯层为掺杂有热膨胀掺杂物的石英玻璃，所述折射纤芯层为掺杂有折射掺杂物的石英玻璃，所述折射纤芯层的横截面外直径大于热膨胀纤芯层的横截面直径、所述包层的横截面外直径大于所述折射纤芯层，所述折射纤芯层环绕所述热膨胀纤芯层，所述包层环绕所述折射纤芯层。本发明利用圆对称的光纤结构或旋转对称的光纤结构，并通过在纤芯层掺杂高热膨胀系数的掺杂物，利用通过高膨胀系数物质的热应力，产生热应力双折折射，实现光纤中所述涡旋光的稳定传输。

Description

涡旋光纤
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种涡旋光纤。
背景技术
涡旋光纤由于其卓越的特性已经被广泛应用于众多领域，例如轨道角动量通、光镊、超分辨等。在光纤中，涡旋光场即为某些高阶矢量模，可分为轨道角动量场(HE21模等)和矢量场，其中矢量场又可分为径向偏振光(TM01模等)和方位角偏振光(TE01模等)。传统的涡旋光纤的设计主要是基于高折射差的环形纤芯，所述高折射差指环形纤芯的折射率与包层的折射率之差，该光纤具有较大的数值孔径，因此往往模式数量较多，更适用于多通道的光纤通讯；但光纤的数值孔径过大，也不利于设计大模场光纤，否者模式数量难以控制，模式纯度难以保证，不利于高功率高光束质量的涡旋光的稳定传输。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种涡旋光纤，以提高涡旋光之间的有效折射率差，实现涡旋光在光纤中的稳定传输。
为实现上述目的，本发明提供了一种涡旋光纤，所述涡旋光纤包括热膨胀纤芯层、折射纤芯层以及包层，所述热膨胀纤芯层为掺杂有热膨胀掺杂物的石英玻璃，所述折射纤芯层为掺杂有折射掺杂物的石英玻璃，所述折射纤芯层的横截面外直径大于热膨胀纤芯层的横截面直径、所述包层的横截面外直径大于所述折射纤芯层，所述折射纤芯层环绕所述热膨胀纤芯层，所述包层环绕所述折射纤芯层。
进一步地，所述折射纤芯层还掺杂有激活掺杂物。
进一步地，所述热膨胀纤芯层中的热膨胀掺杂物的浓度均匀设置，所述折射纤芯层中的折射掺杂物的浓度均匀设置。
进一步地，所述热膨胀纤芯层中还掺杂有折射掺杂物。
进一步地，所述涡旋光纤还包括缓冲纤芯层，所述缓冲纤芯层设置在所述热膨胀纤芯层以及所述折射纤芯层之间。
进一步地，所述缓冲纤芯层掺杂有热膨胀掺杂物和折射掺杂物。
进一步地，所述包层为光子晶体结构。
进一步地，所述包层包括外包层和泵浦光传导层，所述外包层环绕所述泵浦光传导层。
进一步地，所述热膨胀掺杂物包括五氧化二磷或三氧化二硼。
进一步地，所述折射掺杂物包括二氧化锗或氟。
本发明的有益效果在于，利用圆对称的光纤结构或旋转对称的光纤结构，通过在纤芯层掺杂高热膨胀系数的掺杂物，利用通过高膨胀系数物质的热应力，产生热应力双折折射，实现光纤中径向偏振光(TM01)和角向偏振光(TE01)的有效折射率分离，实现光纤中各涡旋光及基膜之间的有效折射差大于1×10-4，实现光纤中所述涡旋光的稳定传输，且可以实现较低的数值孔径，便于实现大模场光纤。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供涡旋光纤的结构示意图；
图2为本发明第一实施例的双折射分布与涡旋光模场分布示意图；
图3为本发明第一实施例中各涡旋光和矢量模的有效折射率；
图4为本发明第二实施例提供涡旋光纤的结构示意图；
图5为本发明第三实施例提供涡旋光纤的结构示意图；
图6为本发明第四实施例提供涡旋光纤的结构示意图；
图7为本发明第五实施例提供涡旋光纤的结构示意图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供的第一实施例中，涡旋光纤100为多个同心圆组合成的圆对称结构。具体的，所述涡旋光纤100包括热膨胀纤芯层10、折射纤芯层20以及包层30，所述热膨胀纤芯层10为掺杂有热膨胀掺杂物的石英玻璃，所述折射纤芯层20为掺杂有折射掺杂物的石英玻璃，所述折射纤芯层20的横截面外直径大于热膨胀纤芯层10的横截面直径、所述包层30的横截面外直径大于所述折射纤芯层20，所述折射纤芯层20环绕所述热膨胀纤芯层10，所述包层30环绕所述折射纤芯层20。
热膨胀纤芯层10为石英玻璃中掺杂有热膨胀掺杂物，热膨胀掺杂物可以为五氧化二磷或三氧化二硼等具有高热膨胀系数的材料。热膨胀纤芯层10中的热膨胀掺杂物用于为热膨胀纤芯层10提供热应力，而折射掺杂物用于重新调整热膨胀纤芯层10的折射率。所述热膨胀纤芯层10中的热膨胀掺杂物的浓度均匀设置，以产生热应力双折折射实现光纤中径向偏振光(TM01)和角向偏振光(TE01)的有效折射率分离，实现光纤中各涡旋光及基膜之间的有效折射差大于1×10-4，以使光纤中所述涡旋光的稳定传输。在一些实施例中，为避免掺杂的热膨胀掺杂物会影响石英玻璃的折射率，需增加调整掺杂物调整折射率分布，如添加二氧化锗或五氧化二磷重新调整折射率分布。
折射纤芯层20的材质包括石英玻璃，石英玻璃中掺杂有折射掺杂物，所述折射掺杂物可以是二氧化锗等可调整折射率的掺杂物，所述折射掺杂物的浓度通过在折射纤芯层20中均匀设置，调整涡旋光纤纤芯的折射率分布，使得涡旋光的模场分布与双折射分布具有较大的重叠程度，将波导介质的双折射充分传化为模式的双折射。包层30包括纯石英玻璃或掺氟石英玻璃。
在本实施例中，热膨胀纤芯层10和折射纤芯层20组成的纤芯结构大约具有0.073的有效数值孔径。折射纤芯层20的外直径范围为12-40μm，热膨胀纤芯层10和折射纤芯层20的外直径之比为0.56，包层30的外直径范围为125-450μm。
请参看图2，由图2所示可知，本发明的第一实施例的折线纤芯层20具有较大的双折射，并使得涡旋光的模场分布与双折射分布具有较大的重叠程度，将波导介质的双折射充分传化为模式的双折射。
请参看图3，图3为第一实施例中各涡旋光和矢量模的有效折射率。由图3所示可知最终模式之间的有效折射都大于10-4，于是该实施例可用于稳定传输涡旋光。
请参阅图4，图4为第二实施例提供的涡旋光纤100，在第二实施例与第一实施例的区别在于，所述热膨胀纤芯层10中只掺杂热膨胀掺杂物，所述涡旋光纤100还包括缓冲纤芯层40，所述缓冲纤芯层40设置在所述热膨胀纤芯层10以及所述折射纤芯层20之间，即，折射纤芯层20环绕缓冲纤芯层40，缓冲纤芯层40环绕热膨胀纤芯层10。
在本实施例中，折射纤芯层20和缓冲纤芯层40中具有较大的双折射，并使得涡旋光纤的涡旋光的模场分布与双折射分布具有较大的重叠程度，将波导介质的双折射充分传化为模式的双折射。最终模式之间的有效折射都大于10-4，于是该涡旋光纤可用于稳定传输涡旋光。具体的，所述缓冲纤芯层40掺杂有热膨胀掺杂物和折射掺杂物。缓冲纤芯层40设置在热膨胀纤芯层和折射纤芯层20之间以达到缓冲效果，防止热膨胀纤芯层10产生的热应力在于折射纤芯层20直接接触过程中沿径向衰减过快。热膨胀纤芯层10、折射纤芯层20和缓冲纤芯层40组成的纤芯大约具有0.1-0.2的有效数值孔径，优选为0.118的有效数值孔径。缓冲纤芯层40的外直径范围为12-40μm，具体的，缓冲纤芯层40可以为15μm，18μm，25μm，30μm。优选地，热膨胀纤芯层10和折射纤芯层20的外直径之比的范围0.5-0.7，优选的外直径之比为0.6。优选地，缓冲纤芯层40和折射纤芯层20的外直径之比为11/15。优选地，包层30的外直径范围为125-450μm，具体的，包层30的外直径范围为130μm，200μm，300μm，400μm。
优选的，请参看图5，图5为第三实施例提供的涡旋光纤100，与第一实施例的区别在于，所述包层30设置为光子晶体结构31。通过设置光子晶体结构31，可使得光纤具有0.069的有效数值孔径。具体的，光子晶体结构31可以为空气孔结构，或通过在石英玻璃中掺氟构成掺氟石英玻璃。折射纤芯层20的外直径范围为12-40μm，热膨胀纤芯层10和折射纤芯层20的外直径之比为0.672，光子晶体结构31中心距离与折射纤芯层20的外直径与之比为0.406，光子晶体结构31直径与光子晶体结构中心距离之比为0.19，包层30的外直径范围为125-450μm。
优选的，请参看图6，图6为第四实施例提供的涡旋光纤100，在本实施例中，涡旋光纤的折射纤芯层还均匀掺杂有激活掺杂物，作为有源涡旋光纤，激活掺杂物可有源螺旋光纤接入光纤设备时增加激光的产生。同时，还掺杂有共掺剂，以稳定激活掺杂物，使激活掺杂物在折射纤芯层中分布均匀，以及调控折射率等。具体的，所述激活掺杂物包括但不限于镱、饵、铥、钬、钕、镝和镨等具有激活特性的稀土金属。优选地，折射纤芯层20掺杂共掺剂包括三氧化二铝、五氧化二磷和氟等。在本实施例中，所述包层30包括外包层32和泵浦光传导层33，泵浦光传导层33作为有源光纤中为泵浦光提供波导结构。具体的，外包层32可以包括低折射率涂料。外包层32还可以包括掺氟石英玻璃。泵浦光传导层33可以包括纯石英玻璃。
请参看图7，在第五实施例中，所述外包层32包括空气层321以及外套管322。
在本实施例中，所述热膨胀纤芯层10被设置在所述包层30的中心处。所述涡旋光纤的结构和掺杂设置成，使得在特定波长下，所述涡旋光纤可以支持LP01模和至少一个LP11模的矢量模(TM01、HE21、TE01)，并且至少一个LP11模的矢量模与其相邻模式的有效折射率差至少是1×10-4，即至少可以稳定传输一个种涡旋光。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡旋光纤，其特征在于，所述涡旋光纤包括热膨胀纤芯层、折射纤芯层以及包层，所述热膨胀纤芯层为掺杂有热膨胀掺杂物的石英玻璃，所述折射纤芯层为掺杂有折射掺杂物的石英玻璃，所述折射纤芯层的横截面外直径大于热膨胀纤芯层的横截面直径、所述包层的横截面外直径大于所述折射纤芯层，所述折射纤芯层环绕所述热膨胀纤芯层，所述包层环绕所述折射纤芯层。
2.根据权利要求1所述的涡旋光纤，其特征在于，所述折射纤芯层还掺杂有激活掺杂物。
3.根据权利要求1或2所述的涡旋光纤，其特征在于，所述热膨胀纤芯层中的热膨胀掺杂物的浓度均匀设置，所述折射纤芯层中的折射掺杂物的浓度均匀设置。
4.根据权利要求3所述任意的所述涡旋光纤，其特征在于，所述热膨胀纤芯层中还掺杂有折射掺杂物。
5.根据权利要求1所述的涡旋光纤，其特征在于，所述涡旋光纤还包括缓冲纤芯层，所述缓冲纤芯层设置在所述热膨胀纤芯层以及所述折射纤芯层之间。
6.根据权利要求5所述的涡旋光纤，其特征在于，所述缓冲纤芯层掺杂有热膨胀掺杂物和折射掺杂物。
7.根据权利要求1所述的涡旋光纤，其特征在于，所述包层为光子晶体结构。
8.根据权利要求1所述的涡旋光纤，其特征在于，所述包层包括外包层和泵浦光传导层，所述外包层环绕所述泵浦光传导层。
9.根据权利要求1所述的涡旋光纤，其特征在于，所述热膨胀掺杂物包括五氧化二磷或三氧化二硼。
10.根据权利要求1所述的涡旋光纤，其特征在于，所述折射掺杂物包括二氧化锗或氟。
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