CN111443422B - 拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法 - Google Patents

拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法 Download PDF

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CN111443422B CN202010494073.6A CN202010494073A CN111443422B CN 111443422 B CN111443422 B CN 111443422B CN 202010494073 A CN202010494073 A CN 202010494073A CN 111443422 B CN111443422 B CN 111443422B
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Abstract

本申请涉及拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法。根据一实施例，提供一种拓扑光子晶体光纤，其横断面包括：第一折射率材料；以及设置在所述第一折射率材料中的第二折射率材料，所述第二折射率材料形成包括布置在所述光纤的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞的拓扑光子晶体结构，每个晶胞包括多个单元结构，其中，每个单元结构的质心被调制以从所述单元结构的中心偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。

Description

拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法
技术领域
本申请总体上涉及波导领域，更特别地，涉及一种拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法，其中通过对光子晶体进行全局的涡旋微扰拓扑调制，可以实现单偏振单模光传输或者任意模式数的多模光传输。
背景技术
通信技术一直在朝向更高速率、更大带宽、更低时延和更高可靠性的方向发展。随着4G和5G网络的建设，各种新应用层出不穷，网络数据流量呈现爆炸式增长。为了满足对更高性能的需求，全光网络成为未来网络系统的热门候选。光纤作为光信号的载体，在未来全光网络中将会起到至关重要的作用。
按照其承载的传输模式数，光纤大体上可以分为两大类，即支持单一模式的单模光纤和支持多种传播模式的多模光纤，二者有各自的应用场景。例如，单模光纤常用于远距离传输，以便减小能量和信号的损耗，而多模光纤由于其熔接和清洁要求低、布线简单和成本低等特点，常用于局域的数据传输。
传统的单模光纤和保偏光纤实际上均支持两个偏振模，区别在于前者的两个偏振模是简并的，而后者的两个偏振模是非简并的。这些光纤本身的双折射效应会使得其传输的光学脉冲发生展宽。为了解决这一问题，过去人们提出了各种各样的单偏振单模光纤以保证仅有一个偏振模在工作波段，从而消除了偏振模色散。
现有的单偏振单模光纤设计思路主要可分为以下两大类：
第一类是从折射率引导型光纤的两个简并的基模出发，通过降低光纤结构的对称性来打破简并，并使得两个偏振模在不同的频率处截至，以获得只有一个偏振的波段；
第二类是基于光子晶体带隙设计单偏振单模光纤，与第一类的区别在于，它在实现单偏振单模的同时，可以保持光纤结构的高对称性，如具有圆对称的单偏振单模的布拉格光纤。
发明内容
拓扑光子学是光学领域的一个新发展方向，其对波导鲁棒性的探索，激发了人们设计新型光纤的想法，比如近年来基于三维磁光光子晶体而设计的单向传输光纤，又或者具有非平庸模式的布拉格光纤等。拓扑光子学的发展给光学模场特性的操控方面带来了极大的便利，而光子晶体光纤端面的二维光子晶体有着任意变化的设计自由度，为能带拓扑调制带来了便利。基于此，可以根据需要来方便地获得单偏振单模光纤或者任意模式数的多模光纤。
本申请的示例性实施例提供一种拓扑光子晶体光纤，其横断面包括：第一折射率材料；以及设置在所述第一折射率材料中的第二折射率材料，所述第二折射率材料形成包括布置在所述光纤的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞的拓扑光子晶体结构，每个晶胞包括多个单元结构，其中，每个单元结构的质心被调制以从所述单元结构的中心偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。
在一些实施例中，当质心调制的幅度为零时，所述单元结构的能带具有狄拉克点。
在一些实施例中，围绕所述光纤的中心一周，质心偏移的辐角增大或减小2πw，其中w是不等于零的整数。
在一些实施例中，所述晶胞具有六边形形状，所述单元结构包括由三个分支形成的三叉结构、三角形结构或者内凹三角形结构。所述三叉结构的三个分支分别从单元结构的中心朝向三个方向延伸并且彼此之间形成大约120度角，所述三角形结构是等边三角形结构，所述内凹三角形结构是三个分支朝向单元结构的中心凹陷的等边三角形结构。形成所述单元结构的分支之间彼此相连或不相连，当所述分支之间彼此相连时，通过调节所述分支的厚度来调制所述单元结构的质心，当所述分支之间彼此不相连时，通过调节所述分支的厚度和/或长度来调制所述单元结构的质心。
在一些实施例中，每个晶胞包括三个单元结构，所述三个单元结构具有相同的质心调制，但是彼此相对旋转大约120度角。
在一些实施例中，所述光纤的横断面包括多个扇区，所述晶胞至少包括第一晶胞和第二晶胞，其交替布置在所述多个扇区中。
在一些实施例中，所述第一折射率材料是空气，所述第二折射率材料是折射率比空气更大的光学材料，优选玻璃，例如石英或软玻璃。
本申请的另一示例性实施例提供一种制造拓扑光子晶体光纤的方法，包括：密堆积多根中空毛细管以制备光纤预制棒，所述多根中空毛细管包括具有不同壁厚度的多种毛细管，每根毛细管由具有比空气更大的折射率的第一光学材料制成；将所述光纤预制棒拉制成光纤，所述光纤包括多个空气孔以及由所述第一光学材料形成的围绕每个空气孔并且将各个空气孔彼此分隔开的拓扑光子晶体结构，所述拓扑光子晶体结构包括布置在所述光纤的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞，每个晶胞包括多个单元结构，其中，所述多种毛细管的壁厚被选择，使得每个单元结构的质心被调制以偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。
在一些实施例中，所述多种毛细管至少包括具有内径d1的第一毛细管、具有内径d2的第二毛细管、具有内径d3的第三毛细管、以及具有内径d4的第四毛细管，d1>d3>d2>d4，且所述第一、第二、第三和第四毛细管具有相同的外径。所述第一毛细管和所述第二毛细管布置成形成第一晶胞的结构，所述第一晶胞结构包括位于中心的第二毛细管、以及围绕位于中心的第二毛细管并且交替布置的三根第一毛细管和三根第二毛细管。所述第三毛细管和所述第四毛细管布置成形成第二晶胞的结构，所述第二晶胞结构包括位于中心的第三毛细管、以及围绕位于中心的第三毛细管并且交替布置的三根第三毛细管和三根第四毛细管。所述光纤预制棒的横断面包括多个扇区，所述第一晶胞结构和所述第二晶胞结构交替布置在所述多个扇区中，并且位于所述光纤预制棒的中心区域之外的周围区域中。
在一些实施例中，所述方法还包括在将所述光纤预制棒拉制成光纤之前，在所述多根中空毛细管的中空区域中以及所述多根中空毛细管之间的区域中填充第二光学材料，所述第二光学材料的折射率不同于所述第一光学材料。
本申请的另一示例性实施例提供一种制造拓扑光子晶体光纤的方法，包括：通过3D打印来制备光纤预制棒，所述光纤预制棒包括第一折射率材料和设置在所述第一折射率材料中的第二折射率材料，所述第二折射率材料被打印成包括布置在所述光纤预制棒的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞的拓扑光子晶体结构，每个晶胞包括多个单元结构，每个单元结构被调制以使得其质心偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤预制棒的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋；以及将所述光纤预制棒拉制成光纤。
本申请的另一示例性实施例提供一种光纤预制棒，包括密堆积的多根中空毛细管，所述多根中空毛细管包括具有不同壁厚度的多种毛细管，每根毛细管由具有比空气更大的折射率的第一光学材料制成。密堆积的所述多根毛细管形成拓扑光子晶体结构，所述拓扑光子晶体结构包括布置在所述光纤预制棒的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞，每个晶胞包括多个单元结构。所述多种毛细管的壁厚被选择，使得每个单元结构的质心被调制以偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤预制棒的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。
本申请的另一示例性实施例提供一种光纤预制棒，包括第一折射率材料和设置在所述第一折射率材料中的第二折射率材料，所述第二折射率材料形成为包括布置在所述光纤预制棒的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞的拓扑光子晶体结构，每个晶胞包括多个单元结构，每个单元结构的质心被调制以偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤预制棒的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。
本申请的另一示例性实施例还提供一种通信装置，其包括上面描述的光纤。
本申请的拓扑光子晶体光纤的横截面中，包层为狄拉克质量涡旋调制的二维光子晶体，从光纤的中心出发沿着不同方向的带隙，由施加在该方向狄拉克格点的广义凯库勒调制所决定，不同方向的调制由对应的调制相位角所决定。经过调制后的光纤结构形成狄拉克质量涡旋，并在位于涡旋中心的纤芯处激发出拓扑束缚的涡旋缺陷模，其色散处于带隙之间。狄拉克质量涡旋的调制相位角可以是离散或连续变化的。这种通过能带拓扑调制而形成的光纤可以产生任意数目的近简并的导模，其数量等于狄拉克质量涡旋的绕数w。当涡旋的绕数w为±1时，光纤可实现单偏振单模传输；当w的绝对值大于或等于2时，可以实现多模传输，其中模式数等于w的绝对值。本申请提出的方法能够简单方便地制备上述拓扑光子晶体光纤，根据需要实现单模单偏振或者多模传输。
本申请的上述和其他特征和优点将从下面对示例性实施例的描述而变得显而易见。
附图说明
通过结合附图对本申请的示例性实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1是示出根据本申请一实施例的离散狄拉克质量涡旋光纤剖面结构的示意图。
图2A-2D是示出图1的光纤结构的质心调制原理的示意图。
图3示出图1的光纤结构的能带色散图。
图4示出根据本申请另一实施例的离散狄拉克质量涡旋光纤的剖面结构示意图及其对应的色散能带图。
图5示出根据本申请另一实施例的连续狄拉克质量涡旋光纤的剖面结构示意图及其对应的色散能带图。
图6A和6B示出可应用于根据本申请实施例的光纤的晶胞排布扇形形状的示意图。
图7A、图7B和图7C示出了根据本申请实施例的可用于光纤晶胞中的单元结构的三叉结构的一些示例。
图8示出根据本申请另一实施例的狄拉克质量涡旋光纤的剖面结构示意图。
图9示出根据本申请一实施例形成的光纤预制棒的结构示意图。
图10示出图9的光纤预制棒的中心区域结构的放大视图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述本申请的示例性实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。
图1示出根据本申请一实施例的拓扑光子晶体光纤100的横截面结构示意图，如下面详细描述的那样，拓扑光子晶体光纤100具有离散的狄拉克质量涡旋。
参照图1，光纤100包括第一折射率材料101和设置在第一折射率材料101中的第二折射率材料102。在图1中，第二折射率材料102示为形成六角晶格光子晶体，其包括多个正六边形环的密堆积结构，第一折射率材料101示为被第二折射率材料102形成的各个正六边形结构包围的空白部分。可以理解，在图1所示的正六边形密堆积结构的外围还可以形成有第一折射率材料101或者可以设置有用于保护光纤100的保护层。还应理解，第二折射率材料102形成的光子晶体结构可以不是严格的正六边形，而是由于设计或者后面描述的制造工艺的原因而具有不规则形状例如弧形的边，或者每条边的长度并不彼此相等。为了简单起见，这里将以正六边形环为例来描述第二折射率材料102所形成的形状，但是从后面对本发明原理的详细描述可以理解，第二折射率材料102亦可形成其他形状。
在一些实施例中，第二折射率材料102的折射率可以大于第一折射率材料101的折射率。例如，第一折射率材料101可以是空气，其折射率大约为1；第二折射率材料102可以是折射率大于1的光学材料，例如玻璃，优选石英玻璃或者软玻璃，其折射率大约为1.45或者更大，或者也可以是聚合物光学材料。应理解，本发明不限于这些材料示例，而是第一折射率材料101和第二折射率材料102亦可使用其他用于制造光纤的材料，只要二者之间存在一定的折射率差即可。在一些实施例中，第一折射率材料101的折射率可以大于第二折射率材料102的折射率，这也不影响本发明的原理的实施。为了简单和方便，下面以空气和石英分别作为第一折射率材料101和第二折射率材料102的示例来进行描述。
继续参照图1，第二折射率材料102形成的六角晶格光子晶体包括两类晶胞，即第一晶胞110和第二晶胞120，其交替布置在围绕光纤100的中心点的多个扇区中。虽然图1示出了在半径方向上包括十二层空气孔，但是其可以包括更多或更少层的空气层，其中更多层是优选的。第一晶胞110和第二晶胞120每个可包括大体上正六边形的环和在正六边形环的每个顶点向外延伸的六个分支，这种结构类似于苯环结构，因此也可称为凯库勒结构。应理解，取决于后面描述的制造工艺，晶胞可能并不是标准的正六边形，而是可能会包括不规则的形状特征，这里描述的正六边形应理解为涵盖这些变型。
通过调制第一晶胞110和第二晶胞120的分支的厚度，而对第一晶胞110和第二晶胞120进行了质心调制。具体而言，第一晶胞110的正六边形环的三条不相邻的边可以具有第一厚度t1，其余三条不相邻的边以及六个分支可以具有第二厚度t2；第二晶胞120的正六边形环的三条不相邻的边可以具有第三厚度t3，其余三条不相邻的边以及六个分支可以具有第四厚度t4，其中t1>t4>t2>t3。第一晶胞110和第二晶胞120具有相同的晶格常数a。在图1的实施例中，第一晶胞110布置在扇区11、13和15中，第二晶胞120布置在扇区12、14和16中，扇区11-16每个具有60度圆心角，并且第一晶胞110和第二晶胞120每个在各自的扇区中密堆积布置，在扇区边界处第一晶胞110和第二晶胞120彼此拼接成正六边形，从而整个光纤100形成为围绕光纤中心的正六边形密堆积结构。这种晶胞排布及其质心调制形成了狄拉克质量涡旋，这将在下面详细描述。
下面参照图2A-2D来说明本发明的原理。图2A示出了单个未被调制的六角晶格晶胞及其能带图，其中该晶胞的每条边(也可称为分支或支柱)具有彼此相同的厚度t0。如图2A所示，为了便于描述，定义该晶胞中的三个单元结构(也可称为原子结构)分别为A1、A2和A3，每个单元结构包括三叉结构，即从三叉中心分别向三个方向延伸的三个分支，三个分支可具有相同的厚度t0和相同的长度，分支之间的夹角可以为大约120度。在该晶胞的能带图中，原本位于布里渊区±K点的狄拉克点折叠到了布里渊区Γ点，从而形成了一个双重狄拉克点(kza/2π＝2)。
图2B示出了对单元结构的质心调制。如图2B所示，调制之前，三叉结构的每个分支具有相同的厚度t0，从而其质心
Figure BDA0002522117010000071
位于三叉结构的中心。通过调节每个分支的厚度，而不改变三叉结构的总质量(即ta+tb+tc＝3t0)，可以将三叉结构的质心
Figure BDA0002522117010000072
沿任何方向移动。用于任何调制矢量
Figure BDA0002522117010000073
的每个分支的厚度t可以由下面的公式确定：
Figure BDA0002522117010000074
其中
Figure BDA0002522117010000081
是每个分支的质心的位置矢量。在图2B的示例中，三叉结构的三个分支的厚度分别为ta，tb和tc，其中ta、tb和tc可以彼此不相等，或者至少其中的一个厚度与其余两个厚度不相等，使得质心位移矢量为
Figure BDA0002522117010000082
其中
Figure BDA0002522117010000083
是质心偏移的相位角，|δ|是质心偏移的幅度值，但是三个厚度的和仍为3t0，即ta+tb+tc＝3t0，从而使得三叉结构的质量保持不变。
利用以上对单个单元结构质心的调制办法，同时对晶胞中的A1、A2和A3每个单元进行调制，其规则为，对三个单元结构的分支进行相同的厚度调制，但是使三个单元结构的质心移动方向相对于彼此旋转120度，即原子A3相对于原子A1顺时针旋转120度，原子A2相对于原子A3顺时针旋转120度，原子A1又相对于原子A2顺时针旋转120度。其中，可以把任意一个单元结构的质心移动方向角
Figure BDA0002522117010000084
记为该晶胞的调制角，例如在所描述的实施例中可以将单元结构A1的质心移动方向角
Figure BDA0002522117010000085
记为该晶胞的调制角，也可称为调制相位。这一种调制方式也称为广义的凯库勒调制。当晶胞调制角
Figure BDA0002522117010000086
为某些特定角度如(0°、60°、120°、180°、240°、300°)时，被调制的晶胞呈现类似于单双键交替的凯库勒苯环结构。当然，调制角
Figure BDA0002522117010000087
也可以为其他角度，此时被调制的晶胞结构与苯环并不完全对应，所以这里称之为“广义”凯库勒调制。
图2C示出对晶胞110的示例性质心调制，此时晶胞调制角
Figure BDA0002522117010000088
为120度。通过设置分支厚度t1＝t0+2Δt，t2＝t0-Δt，可以使得质心偏移幅度
Figure BDA0002522117010000089
其中t0＝0.16a，Δt＝0.012a，a是晶格常数，对于石英/空气光纤，晶格常数a可以为例如3μm，从而可应用于常用的0.9微米至1.8微米波段的传输。图2C还示出与晶胞110对应的在波矢量kza/2π＝2处的能带图，其中双重狄拉克点能带被打开，质量带隙的值为1.47％。
图2D示出对晶胞120的示例性质心调制，此时晶胞调制角
Figure BDA00025221170100000810
为60度。通过设置分支厚度t3＝t0-2Δt，t4＝t0+Δt，可以使得质心偏移幅度
Figure BDA00025221170100000811
图2D还示出与晶胞120对应的在波矢量kza/2π＝2处的能带图，其中双重狄拉克点能带被打开，质量带隙的值为1.5％。从图2C和图2D可以看出，两类凯库勒光子晶体具有公共的光子晶体带隙，其构成了光纤100的光子晶体带隙。应理解，这里给出的一些调制数值都是示例性的，对于不同的应用，本申请的实施例也可以采用其他数值或数值范围。
广义凯库勒调制下的晶胞，其在布里渊区Γ点附近的二维能带色散由带有质量项(m1τx,m2τy)的狄拉克哈密顿量所决定：
H(k)＝(σx+kx+σzky)τz+m1τx+m2τy (公式2)，
其中σi和τi为泡利矩阵。其能量本征解为
Figure BDA0002522117010000091
其中两个质量项系数所形成的复数m＝m1+jm2正比于
Figure BDA0002522117010000092
|δ|为晶胞调制幅度，
Figure BDA0002522117010000093
为晶胞调制幅角。当未进行质心调制时，或者说当调制幅度|δ|＝0时，mi＝0，此时
Figure BDA0002522117010000094
Γ点处形成线性的狄拉克锥色散。而当调制幅度|δ|≠0时，质量项的存在将使狄拉克点被打开而形成带隙。
幅度|δ|和幅角
Figure BDA0002522117010000095
为调制的两个自由度，其中幅度|δ|对应着打开的狄拉克带隙的大小。围绕着所述光纤的中心一周，当调制幅角
Figure BDA0002522117010000096
增大或减小2πw(其中w优选为不等于零的整数)，光纤结构形成绕数为w的狄拉克质量涡旋，并在位于涡旋中心的纤芯处激发出拓扑的涡旋模式，其色散处于带隙之间，拓扑模式的数量等于涡旋绕数的绝对值。
返回参照图1，第一晶胞110和第二晶胞120交替布置在光纤100的六个扇区11-16中，形成调制角分别为0°、60°、120°、180°、240°和300°的六个光子晶体部分，从而产生围绕光纤100一圈(2π)离散的圆周角涡旋。这里，离散指的是调制角不是连续变化的，而是具有六个离散值。其中，调制角为60°、180°和300°的扇区对应于第二晶胞120形成的光子晶体，调制角为120°、240°和0°的扇区对应于第一晶胞110形成的光子晶体。光纤100的每个晶胞由将同一三叉结构旋转一定角度而形成的三类原子A1、A2和A3构成，如果单独地看每类原子，当围绕光纤100走一圈时，每类原子的质心调制相位角也旋转一圈，形成了一圈(2π)离散的圆周角涡旋。也就是说，在光纤100的圆周方向上，晶胞的同类原子被协同旋转和移动，产生了调制涡旋，但是由于凯库勒结构的对称性，同类光子晶体在各个扇区中的布置是相同的。
上面描述了离散角度的凯库勒调制。在扇区11、12、13、14、15和16中，质心偏移的相位角
Figure BDA0002522117010000097
分别为0°、60°、120°、180°、240°和300°，即绕光纤圆心一周，相位角
Figure BDA0002522117010000098
逐渐离散地增大了2π，形成了质心调制涡旋，即上面描述的狄拉克质量涡旋。从光纤的中心出发沿不同扇区方向的带隙，由施加在该方向狄拉克格点的广义凯库勒调制所决定，不同方向的调制由对应的调制相位角所决定。经过调制后的光纤在圆周方向上调制相位角逐渐增大，或者也可以设置成逐渐减小(即沿反方向逐渐增大)，形成狄拉克质量涡旋，并在涡旋中心激发出拓扑束缚的涡旋缺陷模，其色散处于带隙之间。图3示出了图1的光纤结构100的能带色散图，可以看出其拓扑模式位于带隙之间，在波矢量为2附近(图中小圆圈所示)带隙最大。图3还示出了光纤中的模场分布，可以看出光强度集中在位于中心的光子晶体分支上。
本质上，这样的模式是二维狄拉克方程的Jackiw-Rossi零模解。这种通过空间结构的拓扑调制而形成的光纤可以产生任意数目的近简并的导模，其数量等于空间涡旋的绕数w。绕数w为整数，符号可以为正或负，其定义绕光纤一周的相位角变化。例如，图1所示的光纤100在圆周方向上的相位角变化为2π，其对应于绕数w＝+1；如果光纤100在圆周方向上的相位角变化为4π，则其绕数w＝+2，以此类推。当其涡旋的缠绕数w＝±1时，光纤可实现单偏振单模传输，如图3的色散能带图所示。图4示出绕数w＝+2的离散涡旋光纤100’及其能带色散图。在图4中，光纤100’具有12个扇区，按照与图1类似的方式，晶胞110和120交替布置在这12个扇区中，并且每相邻两个扇区的质心调制辐角相差60度，从而形成720度(2*2π)的质量涡旋，对应的绕数w为+2。其色散能带图可以看出，两个导模是近简并的，从模场分布可以看出两个导模对应的光强度基本上集中在光纤的中心区域即纤芯中。通过类似布置，还可以实现绕数w为+3或更大的光纤，从而获得更多导模。在这些实施例中，光纤100包括的扇区数为6n，其中n是正整数，晶胞110和120交替布置在这些扇区中，从而实现w2π角度的狄拉克质量涡旋。
上面描述了利用60度辐角和120度辐角这两类晶胞来形成离散狄拉克质量涡旋光纤的示例，但是应理解，本发明不限于此，而是还可以采用其他辐角的晶胞。例如，可以将光纤均匀划分为三个或更多扇区，在各个扇区内布置辐角离散增大的晶胞。对于三个扇区，可以分别布置辐角为120度、240度和360度(0度)的晶胞；对于四个扇区，可以分别布置辐角为90度、180度、270度和360度(0度)的晶胞，以此类推。应理解，这里描述的均匀分布的辐角和扇区仅是优选的，在一些实施例中，辐角可以为其他值，扇区也可以具有不同的大小，只要整体上能够形成狄拉克质量涡旋即可。还应理解，晶胞的结构也不限于上面描述的实施例，而是可以采用其他任意形状，只要能通过质心调制打开狄拉克点即可。换言之，在质心调制之前，晶胞结构具有狄拉克点，其可以是二重狄拉克点、三重狄拉克点或者更多重狄拉克点。上面描述的六角晶体仅是容易产生二重狄拉克点并且容易用下面描述的方法制造的示例性实施方式，光子晶体也可以设计为具有其他晶体结构。通过质心调制，当调制幅度|δ|≠0时，质量项的存在将使狄拉克点被打开而形成带隙。通过对多个(三个或者更多)扇区中的晶胞的布置，整体上实现绕数w的狄拉克质量涡旋。
虽然在上面参照图1-4描述的实施例中，在圆周方向上相位角是离散变化的，即在同一个扇区内相位角是相同的，但是应理解，相位角可以是连续变化的，即在圆周方向上连续增大或减小，这可以通过调节圆周方向上的每一个单元结构的质心偏移相位角(或者称为辐角)来实现。可以容易地理解，连续的狄拉克质量涡旋实质上类似于扇区数足够大的离散狄拉克质量涡旋。图5示出了连续涡旋光纤200的示例，其绕数w为1，即绕光纤200一周相位角的变化为2π，其中通过调制每个分支的厚度，使得相位角连续变化。这里，由于在圆周方向上每个原子的调制角是连续变化的，不同于图1所示的包括若干离散调制角的光子晶体结构，因此连续涡旋光纤200的光子晶体中的各个晶胞并不彼此相同，严格来说并不包括完整的晶胞110或120，而是可以认为光纤200包括调制角度连续地从0变化到2π所得到的所有广义凯库勒晶胞。可以理解，连续涡旋光纤也可以实现更大绕数w，例如通过控制绕圆周方向上相位角的变化速度，使得绕光纤200一周实现4π、6π、8π或者更大的相位角变化。图5的能带色散图显示，单模光纤200的色散位于带隙之间，模场分布显示光强度主要集中在中心区域的光子晶体中。
在上面描述的离散和连续质量涡旋光纤的实施例中，质心调制的相位角在圆周方向上离散或连续变化，而在沿半径的直线方向上可以保持不变，例如如图1、4和5所示的那样。或者，在另一些实施例中，质心调制的相位角可以在半径增大的弧线或不规则曲线方向上保持不变。例如，图6A示出了发散螺旋形状的扇区，即定义扇区的圆心角的两条边以及扇区的中心线(未示出)可以为发散螺旋线形状，质心调制的相位角可以在从光纤的中心起沿发散螺旋线的方向上保持不变。图6B示出了不规则扇形形状的示意图，其中定义扇区的圆心角的两条边以及扇区的中心线(未示出)可以为任意不规则曲线形状，质心调制的相位角可以在从光纤的中心起沿不规则曲线的方向上保持不变。
在上面描述的实施例中，质心调制的幅度可以在整个光纤截面上保持不变。在另一些实施例中，质心调制的幅度也可以在半径增大的方向上增大，所述方向可以是沿半径的直线方向，也可以是半径增大的曲线方向，即连接圆心和圆周的曲线方向，例如图6A所示的发散螺旋曲线方向或者图6B所示的不规则曲线方向。在与相位角不变的方向垂直的方向上，质心调制的幅度也保持不变。就光纤横截面整体而言，质心调制的幅度不为零。
应理解，上面描述的质心调制涡旋可以仅位于光纤的位于中心区域之外的外围区域中，而在光纤的中心区域，质心调制幅度可以为零，或者可以说不进行质心调制。也就是说，中心区域和周围区域可以具有大致相同的晶体结构，但是在中心区域不进行质心调制。在一些实施例中，中心区域也可以具有与外围区域不同的结构，例如常规光子晶体光纤的中心区域的结构。中心区域的半径可以根据需要来进行调节，对此没有任何特定限制。在上面图示的实施例中，中心区域的半径至少为一至两层空气孔。
可以理解，可以对上面论述的光纤实施例进行一些形式和细节上的改变，这些改变不会影响本发明的原理的实施。例如，图7A、图7B和图7C示出了可用作晶胞110和120中的单元结构的一些示例。图7A的单元结构与上面描述的单元结构A1、A2和A3类似，也包括三叉结构，其中三个分支从单元结构的中心分别朝向三个方向延伸，彼此之间为120度，不同之处在于三个分支之间可以彼此不相连。可以理解，形成晶胞的多个三叉结构之间也可以相连或者不相连。当分支之间不相连时，除了如前述那样通过调节分支厚度来实现质心调制之外，也可以通过调节分支长度来进行质心调制，其同样符合本发明的原理。在图7B中，单元结构可以是三个圆筒密堆积而形成的结构，其中心处可以有空隙，该空隙可以填充有第一折射率材料101。这种结构可以应用于具有图9所示结构的光子晶体光纤。在图7C中，单元结构可以是等边三角形结构，其可以应用于具有图8所示结构的光子晶体光纤，其将在下面详细描述。可以理解，三角形的三条边(或者说三个分支)之间也可以彼此不相连。当单元结构中的分支彼此不相连时，第一折射率材料101可以不是空气，而是其他可以为第二折射率材料102形成的不相连的分支结构提供结构支承的光学材料。再次说明的是，单元结构不限于这里描述的结构，而是可以使用各种结构，只要以这种单元结构形成的光子晶体的晶胞具有狄拉克点即可。通过对单元结构进行质心调制，打开狄拉克点，整体上形成狄拉克质量涡旋，即可实施本发明的原理。
图8示出根据本申请另一实施例的狄拉克质量涡旋光纤的横截面结构，其与图1、图4和图5所示的光子晶体光纤类似，都具有六角晶格晶体结构，区别仅在于图8的光纤包括图7C所示的三角形单元结构，三个这样的单元结构A1、A2和A3组成虚线六边形所示的晶胞。图8所示的结构也可以称为笼目(kagome)结构，其中可以通过调制单元结构的三条边(或者说分支)的厚度ta、tb和tc来进行质心调制。当三角形的三条边中的至少两条边不彼此连接时，还可以通过调节边的长度来进行质心调制。图8所示的狄拉克质量涡旋光纤的其他方面可以与图1、图4和图5所示的实施例相同，例如可以形成为离散涡旋光纤或者连续涡旋光纤，涡旋绕数w优选为±1、±2、±3等整数值，这里不再重复描述。
下面描述制备上述光纤的方法的实施例。如传统方法一样，可以先制备光纤预制棒，然后将光纤预制棒拉制成光纤。因此，这里主要描述制备光纤预制棒的步骤。
如图9所示，在本申请一实施例中，通过密堆积多根中空毛细玻璃管例如石英管来制备光纤预制棒300。密堆积的毛细玻璃管形成与图1、图4、图5和图8类似的六角晶格晶体结构，这些毛细玻璃管可以具有不同的壁厚，从而实现前面描述的对形成晶胞的单元结构的质心调制。各个毛细玻璃管的外径可以不同，只要多根毛细玻璃管堆积组合成之前描述的晶胞结构即可。作为一个优选的具有更简单结构的实施例，密堆积的多根毛细玻璃管也可以具有相同的外径Douter，这样可以方便地形成具有相同晶格常数的晶胞，但是多根毛细玻璃管中的至少一些具有不同的内径。在图9的示例中，可以采用分别具有内径d1、d2、d3和d4的第一、第二、第三和第四毛细玻璃管来制备用于拉制图1所示的光纤100的光纤预制棒300，其中d1>d3>d2>d4。第一毛细玻璃管d1和第二毛细玻璃管d2布置成第一预制棒晶胞310，其中每根第二毛细玻璃管d2周围密堆积有六根毛细玻璃管，这六根毛细玻璃管中第一毛细玻璃管d1和第二毛细玻璃管d2交替布置，从而所形成的第一预制棒晶胞310的各个分支的厚度的相对关系可以对应于图1所示的光纤晶胞110。第三毛细玻璃管d3和第四毛细玻璃管d4布置成第二预制棒晶胞320，其中每根第三毛细玻璃管d3周围密堆积有六根毛细玻璃管，这六根毛细玻璃管中第三毛细玻璃管d3和第四毛细玻璃管d4交替布置，从而所形成的第二预制棒晶胞320的各个分支的厚度的相对关系可以对应于图1所示的光纤晶胞120。基于光纤拉制过程中光子晶体材料的厚度和面积成比例这两大原则，可以利用拓扑光子晶体光纤的分支厚度来确定其对应的毛细玻璃管的内径外径占比，光纤中每一种由两种宽度的分支交替连接而形成的凯库勒光子晶体结构可以用由两种不同壁厚的毛细玻璃管按相应的交替方式堆积而成的预制棒拉制得到。基于上述原则，为了与图1所示的光纤100对应，第一至第四毛细玻璃管的外径和内径应满足如下公式：
Figure BDA0002522117010000141
因此，可以将第一至第四毛细玻璃管的内径d1-d4分别设置为d1/Douter＝0.875，d2/Douter＝0.794，d3/Douter＝0.848，d4/Douter＝0.767。与图1类似，光纤预制棒晶胞可以交替布置在多个扇区中，图9示出了第一预制棒晶胞310布置在扇区31、33、35中，第二预制棒晶胞320布置在扇区32、34和36中，每个扇区具有60度圆心角。光纤预制棒300的其他方面与图1的光纤100类似，通过选择毛细玻璃管的内径，对光纤预制棒300中的三叉结构的质心进行调制，形成了狄拉克质量涡旋，这里不再重复论述。
可以理解，在两个相邻扇区之间的边界线上，由于不同类型晶胞的拼接，会产生局部线缺陷，即在所述边界线上所形成的分支的厚度并不满足之前参照图1描述的广义凯库勒调制所要求的厚度，并且在六条边界线上的线缺陷向光纤中心延伸并且汇聚在光纤中心处，因此可能会对纤芯区域产生较大影响。考虑到中心区域的结构，为了使光纤预制棒300在拉制后更接近图1所示的光纤100，在光纤预制棒300的中心区域可以采用图10所示的毛细玻璃管排布。
图10是图9所示的光纤预制棒300的中心区域的放大视图。如图10所示，在中心区域，三个第二毛细玻璃管d2成三角密堆积排列，并且这三个第二毛细玻璃管d2分别位于第二预制棒晶胞320所在的扇区32、34和36的顶点位置附近；三个第三毛细玻璃管d3在这三个第二毛细玻璃管d2周围成三角密堆积排列，并且这三个第三毛细玻璃管d3分别位于第一预制棒晶胞310所在的扇区31、33和35的顶点位置附近。通过这种设置，可以使得光纤的线缺陷模式和其他的高阶缺陷模式远离主要处于带隙中间的拓扑模式，这样一来这些杂模和拓扑模式之间的串扰可以忽略。结合之前描述的光纤参数优化设计，可以使得线缺陷模式远离带隙中心，甚至移出光子晶体带隙，进一步改善光子晶体光纤中拓扑模式的传输质量。另外，这种局部线缺陷既不会消除全局狄拉克质量涡旋，也不会消除涡旋模式，对所形成的光纤的性能并不会产生任何明显的影响。
上面描述了用四种内径的毛细玻璃管密堆积成光纤预制棒300，其可以用于拉制图1所示的具有六个扇区且绕数w＝+1(或-1)的离散涡旋光纤100。可以理解，通过选择每根毛细玻璃管的内径，可以制备连续涡旋光纤，并且可以制备其他绕数w的离散或连续涡旋光纤，虽然此时这些不同内径的玻璃管的密堆积步骤会变得更加复杂。
在对光纤预制棒300进行拉制之前，在一些实施例中，还可以在毛细玻璃管密堆积结构的空隙中，包括毛细玻璃管本身的空隙和毛细玻璃管之间的空隙中，填充第一折射率材料101，这里毛细玻璃管本身用作第二折射率材料102。或者，也可以没有该步骤，此时空气直接用作第一折射率材料101。
在对光纤预制棒300进行拉制时，可以控制拉制成的光纤的横截面结构。例如，在一些实施例中，可以在图9的毛细玻璃管中的第一空隙和毛细玻璃管之间的第二空隙之间施加一气压差。所述气压差可以通过空气来施加，也可以通过向这些间隙中填充流动性光学材料(即第一折射率材料101)来施加，该流动性光学材料在拉制工艺完成之后可以凝固在光纤中。当第一空隙的气压大于第二空隙中的气压时，管壁向外挤压，拉制成形的光纤的晶体结构中的单元结构接近于图2B所示的三叉结构；当第一空隙的气压小于第二空隙中的气压时，管壁向内挤压，拉制成形的光纤的晶体结构中的单元结构接近于图7C所示的三角形；当在第一空隙和第二空隙之间不施加气压差时，拉制成形的光纤的晶体结构中的单元结构可以类似于图7B所示的结构。应理解，在通过拉制工艺形成的光纤中，所形成的分支结构可能并不与上面图示的结构完全相同，而是会有一定变形，例如上面所示的六边形可能接近于圆形。因此，本申请中描述的六边形也应理解为涵盖这些变形，包括圆形。
在另一些实施例中，还可以通过3D打印技术来制备光纤预制棒，其允许更灵活地制备各种晶体结构和各种调制方案的光纤预制棒，尤其是通过3D打印可以制备前述分支不连接的晶体结构，从而除了厚度调制之外，还允许使用例如长度调制或者厚度和长度同时调制的方案，来调节晶胞质心，从而形成连续或者离散的狄拉克质量涡旋。在使用3D打印技术时，第一折射率材料101可以是例如透明聚合物，第二折射率材料102可以是玻璃例如常用的石英或软玻璃，此时第一折射率材料101可以对第二折射率材料102形成的分支结构进行支承，所以第二折射率材料102形成的分支结构可以彼此连接或者分开。在进行3D打印时，也可以不使用第一折射率材料101而仅使用第二折射率材料102，此时可以认为第一折射率材料101是空气，而第二折射率材料102形成的分支结构需要彼此连接以相互支承。
可以理解，图9所示的毛细玻璃管密堆积方法在形成离散质量涡旋光纤预制棒时是优选的，因为其具有高的效率，能快速制备离散质量涡旋光纤预制棒，但是其在制备连续质量涡旋光纤时是低效率的，因为需要花费大量的时间和精力来准备不同内径的玻璃管，并且把这些玻璃管排布在预定位置。3D打印方法则可以使用软件来建立预制棒模型，此时能精细调制每根分支的厚度，然后便捷地进行打印来制备光纤预制棒，因此3D打印方法在制备连续质量涡旋光纤和具有更大绕数w的光纤时是优选的。而且，3D打印方法还能打印不彼此连接的第二折射率材料分支，因此能实现各种不同结构的光纤预制棒。
还应理解，通过毛细玻璃管密堆积方法和3D打印方法形成的光纤，其横截面晶体结构可以类似于上面关于光纤描述的晶体结构，二者仅因拉制工艺而具有一定的尺度差异。这里，不再对所制备的用于拉制本发明的光纤的光纤预制棒的横截面结构进行重复描述。
上面虽然以0.9微米至1.8微米波段为例对本发明的光纤的相关参数进行了优化，但是应理解，本发明的原理不限于用于该波段，而是还可以用于其他波段例如微波、毫米波等。换言之，本发明的原理不仅可用于光、还可以用于电磁波等信号载体。因此，本发明的光纤应理解为能传输各种光或电磁波的波导。
为了实现最佳的效果，上面的实施例描述的狄拉克质量涡旋的绕数w为整数，但是应理解，本发明也不限于此。例如，即使当绕数w为非整数时，也能在一定程度上实现本发明的效果，即通过狄拉克质量涡旋在位于涡旋中心的纤芯处激发出拓扑的涡旋模式，虽然绕数w为整数是优选的。
本申请的实施例还提供包括上述光纤的通信设备。例如，这样的通信设备的示例可以包括但不限于例如基站、交换机、可重构光分插复用器、光模块等。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (14)

1.一种拓扑光子晶体光纤，其横断面包括：
第一折射率材料；以及
设置在所述第一折射率材料中的第二折射率材料，所述第二折射率材料形成包括布置在所述光纤的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞的拓扑光子晶体结构，每个晶胞包括多个单元结构，
其中，每个单元结构的质心被调制以从所述单元结构的中心偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。
2.如权利要求1所述的光纤，其中，当质心调制的幅度为零时，所述单元结构的能带具有狄拉克点。
3.如权利要求1所述的光纤，其中，围绕所述光纤的中心一周，质心偏移的辐角增大或减小2πw，其中w是不等于零的整数。
4.如权利要求1所述的光纤，其中，所述晶胞具有六边形形状，所述单元结构包括由三个分支形成的三叉结构、三角形结构或者内凹三角形结构，所述三叉结构的三个分支分别从单元结构的中心朝向三个方向延伸并且彼此之间形成120度角，所述三角形结构是等边三角形结构，所述内凹三角形结构是三个分支朝向单元结构的中心凹陷的等边三角形结构，形成所述单元结构的分支之间彼此相连或不相连，当所述分支之间彼此相连时，通过调节所述分支的厚度来调制所述单元结构的质心，当所述分支之间彼此不相连时，通过调节所述分支的厚度和/或长度来调制所述单元结构的质心。
5.如权利要求1所述的光纤，其中，每个晶胞包括三个单元结构，所述三个单元结构具有相同的质心调制，但是彼此相对旋转120度角。
6.如权利要求5所述的光纤，其中，所述光纤的横断面包括多个扇区，所述晶胞至少包括第一晶胞和第二晶胞，其交替布置在所述多个扇区中。
7.如权利要求1所述的光纤，其中，所述第一折射率材料是空气，所述第二折射率材料是折射率比空气更大的光学材料。
8.如权利要求1所述的光纤，其中，所述第一折射率材料是空气，所述第二折射率材料是玻璃。
9.一种制造拓扑光子晶体光纤的方法，包括：
密堆积多根中空毛细管以制备光纤预制棒，所述多根中空毛细管包括具有不同壁厚度的多种毛细管，每根毛细管由具有比空气更大的折射率的第一光学材料制成；
将所述光纤预制棒拉制成光纤，所述光纤包括多个空气孔以及由所述第一光学材料形成的围绕每个空气孔并且将各个空气孔彼此分隔开的拓扑光子晶体结构，所述拓扑光子晶体结构包括布置在所述光纤的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞，每个晶胞包括多个单元结构，
其中，所述多种毛细管的壁厚被选择，使得每个单元结构的质心被调制以偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述多种毛细管至少包括具有内径d1的第一毛细管、具有内径d2的第二毛细管、具有内径d3的第三毛细管、以及具有内径d4的第四毛细管，d1>d3>d2>d4，且所述第一、第二、第三和第四毛细管具有相同的外径，
其中，所述第一毛细管和所述第二毛细管布置成形成第一晶胞的结构，所述第一晶胞结构包括位于中心的第二毛细管、以及围绕位于中心的第二毛细管并且交替布置的三根第一毛细管和三根第二毛细管，
其中，所述第三毛细管和所述第四毛细管布置成形成第二晶胞的结构，所述第二晶胞结构包括位于中心的第三毛细管、以及围绕位于中心的第三毛细管并且交替布置的三根第三毛细管和三根第四毛细管，
其中，所述光纤预制棒的横断面包括多个扇区，所述第一晶胞结构和所述第二晶胞结构交替布置在所述多个扇区中，并且位于所述光纤预制棒的中心区域之外的周围区域中。
11.如权利要求9所述的方法，还包括，在将所述光纤预制棒拉制成光纤之前，在所述多根中空毛细管的中空区域中以及所述多根中空毛细管之间的区域中填充第二光学材料，所述第二光学材料的折射率不同于所述第一光学材料。
12.一种制造拓扑光子晶体光纤的方法，包括：
通过3D打印来制备光纤预制棒，所述光纤预制棒包括第一折射率材料和设置在所述第一折射率材料中的第二折射率材料，所述第二折射率材料被打印成包括布置在所述光纤预制棒的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞的拓扑光子晶体结构，每个晶胞包括多个单元结构，每个单元结构被调制以使得其质心偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤预制棒的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋；以及
将所述光纤预制棒拉制成光纤。
13.一种光纤预制棒，包括密堆积的多根中空毛细管，所述多根中空毛细管包括具有不同壁厚度的多种毛细管，每根毛细管由具有比空气更大的折射率的第一光学材料制成，密堆积的所述多根毛细管形成拓扑光子晶体结构，所述拓扑光子晶体结构包括布置在所述光纤预制棒的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞，每个晶胞包括多个单元结构，
其中，所述多种毛细管的壁厚被选择，使得每个单元结构的质心被调制以偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤预制棒的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。
14.一种光纤预制棒，包括第一折射率材料和设置在所述第一折射率材料中的第二折射率材料，所述第二折射率材料形成为包括布置在所述光纤预制棒的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞的拓扑光子晶体结构，每个晶胞包括多个单元结构，每个单元结构的质心被调制以偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤预制棒的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。
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