CN112851109A - 一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤及制备方法，属于光纤通信领域，包括：纤芯区、内包层区和外包层区，多个毛细棒围绕第一毛细管堆栈，以形成实心的环形纤芯，于环形纤芯中传输光波导；内包层区包括围绕纤芯区的外围周期性分布的空气孔；外包层区套设于内包层区；纤芯区、内包层区和外包层区均采用同一种材料。本本发明的有益效果在于：采用同一种材料制备，无需再额外掺杂材料，降低成本；通过引入空气孔，起到束缚波导的作用；基于光子晶体光纤的堆栈法，使得该光纤制备不再只是一种理论性的构想，能够实际制备得到，且在结构设计时，可调整微结构光纤的光波导参数，以满足应用于不同场景下的参数需求。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤及制备方法。
背景技术
轨道角动量(Orbital angular momentum，OAM)是光束角动量的分量，该角动量取决于场空间分布，而不取决于光的偏振态。OAM光束的传输方式主要包括自由空间传输和光纤传输。与自由空间传输相比，光纤传输可以将传输信号与外界环境相隔绝，降低外部干扰，增大信息容量，延长传输距离。光纤中OAM光束的传输参数对于光纤的结构具有决定性影响，包括支持OAM模式数、模式间串扰、模式纯度、模式传输距离等参数。对于同阶的OAM模式，同阶OAM模式对应的有效折射率之间的差值越大，模式耦合及串扰发生的可能性就越低，越有利于OAM模式的稳定传输。由于轨道角动量模式的光纤束的复杂性、多样性，以及其可观的应用前景，在光纤通信、光学微操控、光学/量子信息编码、光学测量及传感等领域都被广泛研究。
目前，提出的用于传输OAM光束的光纤结构中存在以下问题：毛细孔采用圆形的排布方式，无法通过堆栈工艺实现，难以实现米量级的光纤预制棒的生产；采用呈方形的毛细孔时，在光纤熔融后拉伸的过程中，所形成的所有空气孔结构趋于圆形，因此，具有方字型空气孔的光纤仅具备理论可行性，实际制备过程中难以实现；现有的技术方案中虽然借鉴了光子晶体光纤结构，但其波导结构还是基于由不同材料产生折射率差，其外部的毛细孔结构并没有起到束缚波导的作用，因此针对以上问题，迫切需要研究一种可实施、能够制备得到的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤及制备方法，以满足实际使用的需要。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤及制备方法，通过堆栈法实际制备，波导结构易调控，轨道角动量模式的可传输模式的数量高，模式纯度好，能实现多轨道角动量模式下的稳定传输。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：
本发明提供一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，包括：
一纤芯区，所述纤芯区包括一第一毛细管和多个毛细棒，多个所述毛细棒围绕所述第一毛细管排列，以形成一实心的环形纤芯，于所述环形纤芯中传输光波导；
一内包层区，所述内包层区围绕所述纤芯区设置，所述内包层区包括围绕所述纤芯区的外围周期性分布的空气孔，以降低所述内包层区的折射率；
一外包层区，所述外包层区套设于所述内包层区。
优选地，所述外包层区由一具有预设厚度的固态材料制成；
所述预设厚度的范围为20um～200um。
优选地，还包括：
多个支撑毛细棒，多个所述支撑毛细棒分别填充于所述内包层区和所述外包层区之间，多个所述支撑毛细棒的尺寸不同。
优选地，所述内包层区由多个第二毛细管组成；
多个所述第二毛细管围绕所述环形纤芯依次堆栈形成一第二堆栈体。
优选地，所述空气孔的数量为36-396个。
优选地，所述光波导的传输方式为轨道角动量模式，所述轨道角动量模式的可传输模式的数量大于2。
优选地，所述轨道角动量模式的可传输模式的数量为[30，48]。
本发明还提供一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤的制备方法，用于制备上述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，包括如下步骤：
步骤S1，将多个毛细棒围绕一第一毛细管堆栈形成径向截面呈正六边形的第一堆栈体；
步骤S2，多个第二毛细管环绕所述第一堆栈体的外围依次多层堆栈形成一第二堆栈体；
步骤S3，于所述第二堆栈体的外围套设一固态套管套设，并于所述第二堆栈体的外壁和所述固态套管的内壁之间的间隙中填充多个不同尺寸的支撑毛细棒，构成一光纤预制棒；
步骤S4，对所述光纤预制棒进行光纤拉丝，并于光纤拉丝过程中对所述光纤预制棒中各区域之间的间隙进行分压独立控制，以形成一缺陷芯微结构光纤，所述缺陷芯微结构光纤包括由所述第一毛细管和多个所述毛细棒熔融后形成的纤芯区、由多个所述第二毛细管和所有所述支撑毛细棒熔融后形成的周期性分布有空气孔的内包层区、由固态套管熔融后形成的外包层区。
优选地，所述内包层区的空气占空比为50％～99％。
优选地，所述步骤S4中，于光纤拉丝过程中对所述内包层区进行分压独立控制，具体包括：
步骤S41，从所述内包层区选择一个所述第二毛细管或对称分布的两个所述毛细管；
步骤S42，采用一多通道主动式气控单元对被选择的所述第二毛细管进行分压独立控制，以增大或减小所述被选择的所述第二毛细管的孔径。
本发明的有益效果在于：
本发明采用同一种材料制备形成，无需再额外掺杂材料，降低了制备的成本；通过在实心的纤芯中引入一个空气孔，形成环形波导，使得光纤能够传输OAM光束，起到束缚波导的作用；基于光子晶体光纤的堆栈法，使得轨道角动量传输的微结构光纤不再只是一种理论性的构想，能够实际制备得到，且在结构设计时，可调整微结构光纤的光波导参数，以满足应用于不同场景下的参数需求。
附图说明
图1a为本发明中一种缺陷芯微结构光纤的堆栈结构示意图；；
图1b为本发明中一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤的结构示意图；
图2a为本发明中制备得到的缺陷芯微结构光纤径向截面具体实施例的扫描电子显微镜示意图；
图2b为本发明中制备得到的缺陷芯微结构光纤径向截面的另一具体实施例的扫描电子显微镜示意图；
图3a为本发明中制备得到的缺陷芯微结构光纤的基于一种OAM模式传输具体实施例的模场分布图；
图3b为本发明中基于图3a中OAM模式传输具体实施例的相位分布图；
图3c为本发明中基于图3a中OAM模式传输具体实施例的矢量折射率差示意图；
图3d为本发明中制备得到的缺陷芯微结构光纤的基于另一种OAM模式传输具体实施例的模场分布图；
图3e为本发明中基于图3d中OAM模式传输具体实施例的相位分布图；
图3f为本发明中基于图3d中OAM模式传输具体实施例的矢量折射率差示意图；
图4为本发明中一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤的制备方法具体实施例的流程示意图
图5为本发明中制备得到的缺陷芯微结构光纤的制备装置具体实施例的结构示意图。
附图标记：
主动式气控单元(1)，光纤拉丝塔系统(2)，预制棒进给装置(21)，高温石墨炉(22)，涂覆固化装置(23)，涂覆器(231)，固化炉(232)，光纤转向引导轮(24)，主牵引系统(25)，主光纤牵引轮(251)，舞蹈轮(26)，光纤收线装置(27)，收线盘(271)，光纤预制棒(31)，裸光纤(32)，涂覆光纤(33)，缺陷芯微结构光纤(34)，第一毛细管(41)，毛细棒(42)，第二毛细管(5)，固态套管(6)，支撑毛细棒(7)，空气孔(8)，光纤材料(9)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明提供一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤34，属于光纤通信领域，如图1a和图1b所示，包括：
一纤芯区1，纤芯区包括一第一毛细管4111和多个毛细棒4212，多个毛细棒42围绕第一毛细管41排列，以形成一实心的环形纤芯，于环形纤芯中传输光波导；
一内包层区2，内包层区围绕纤芯区设置，内包层区包括围绕纤芯区的外围周期性分布的空气孔8，以降低内包层区的折射率；
一外包层区3，外包层区套设于内包层区。
具体的，该光纤由纤芯区、内包层区、外包层区组成。其中，纤芯区由位于中心的第一毛细管41和围绕第一毛细管41的多个毛细棒42堆栈形成；内包层区由围绕纤芯区的周向分布的多个第二毛细管521堆栈形成，多个第二毛细管5经光纤拉丝过程熔融后，形成周期性分布的空气孔8，以降低内包层区的有效折射率，从而使得纤芯区具有较高的折射率，内包层区中空气孔8的数量为36-396个，内包层的厚度为10um～100um；外包层区由一层较厚的固态材料形成保护环形结构，例如固态套管6，外包层区的厚度为20um～200um。
进一步的，如图2a和图2b所示，纤芯区的正中心的第一毛细管41形成一个空气孔8，使得制备得到的纤芯为环形缺陷纤芯，光波导在多个毛细棒42形成的固体实心结构中传输，并不在中心孔中传输，形成一种环形模场，其中光波导传输方式为轨道角动量(Orbitalangular momentum，OAM)模式，可传输模式数大于2，一般情况下轨道角动量模式的可传输模式的数量为[30，48]，其模式纯度大于90％，如图3a、图3b、图3c，为本发明制备得到的缺陷芯微结构光纤34基于一种OAM模式时的模场分布图、相位分布图以及矢量模式下的有效折射率差；如图3d、图3e、图3f，为本发明制备得到的缺陷芯微结构光纤34基于另外一种OAM模式时的模场分布图、相位分布图以及矢量模式下的有效折射率差。
进一步的，上述环形缺陷纤芯的外径为5um～100um，内径为3um～80um，环形厚度为1um～50um。
于上述较佳的实施例中，本技术方案均采用同一种材料制备得到，通过引入空气孔8，使得纤芯区和内包层区的折射率不同，无需掺杂工艺，制备成本较低；采用堆栈法制备，使得该种基于轨道角动量模式传输的微结构光纤不再仅仅只是一种理论性的构想，能够实际制备得到。
进一步的，其中制备该光纤的光纤材料9可以为纯石英玻璃，或者其他适合制备光纤的材料，例如：石英玻璃、多组分软玻璃或高分子材料，其中多组分软玻璃还可以是金属氧化物玻璃，例如：氧化碲、氧化锗、氧化锂、氧化锌、硫化物、硒化物、碲化物、氟化物、碘化物或磷化物玻璃；高分子材料可以采用碳链高聚物、杂链高聚物或元素有机高聚物，其中，碳链高聚物包括聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜树脂、聚甲基丙烯酸甲酯；杂链高聚物包括聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯酰胺。
在一个较佳的实施例中，外包层区由一具有预设厚度的固态材料制成；
预设厚度的范围为20um～200um。
在一个较佳的实施例中，还包括：
多个支撑毛细棒427，多个支撑毛细棒427分别填充于内包层区和外包层区之间，多个支撑毛细棒427的尺寸不同。
具体的，在本实施例中，采用不同尺寸的支撑毛细棒427将光纤的纤芯区内的间隙、纤芯区与内包层区之间的间隙、内包层区与外包层区之间的间隙填充满，以维持光纤结构的稳定。
在一个较佳的实施例中，内包层区由多个第二毛细管5组成；
多个第二毛细管5围绕环形纤芯依次堆栈形成一第二堆栈体。
本发明还提供一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤34的制备方法，用于制备上述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤34，如图4所示，包括如下步骤：
步骤S1，将多个毛细棒42围绕一第一毛细管41堆栈形成径向截面呈正六边形的第一堆栈体；
具体的，在步骤S1中，如图1所示，将多个毛细棒42紧贴第一毛细管41的外壁堆栈成第一堆栈体，相邻的两个毛细棒42的外壁紧贴，第一堆栈体的径向截面呈正六边形，多个毛细棒42可以仅仅围绕成一圈，也可以围绕成多圈，毛细棒42的直径与第一毛细管41的直径相同。
步骤S2，多个第二毛细管5环绕第一堆栈体的外围依次多层堆栈形成一第二堆栈体；
具体的，在步骤S2中，多个第二毛细管5围绕上述第一堆栈体中的毛细棒42堆栈成多圈径向截面呈正六边形结构，以制备得到第二堆栈体，相邻的两个第二毛细管5之间相互紧贴设置，最内圈的第二毛细管5与毛细棒42紧贴设置，第二毛细管5的直径和第一毛细管41的直径相同。
步骤S3，于第二堆栈体的外围套设一固态套管6套设，并于第二堆栈体的外壁和固态套管6的内壁之间的间隙中填充多个不同尺寸的支撑毛细棒427，构成一光纤预制棒31；
具体的，在步骤S3中，采用一个固态套管6套设在第二堆栈体的外围，固态套管6的内径与第二堆栈体的外接圆的直径相同，固态套管6的内径约为100um～200um；在制备得到的堆栈结构中填充不同尺寸的支撑毛细棒427以维持堆栈体结构的稳定。
步骤S4，对光纤预制棒31进行光纤拉丝，并于光纤拉丝过程中对光纤预制棒31中各区域之间的间隙进行分压独立控制，以形成一缺陷芯微结构光纤34，缺陷芯微结构光纤34包括由第一毛细管41和多个毛细棒42熔融后形成的纤芯区、由多个第二毛细管5和所有支撑毛细棒427熔融后形成的周期性分布有空气孔8的内包层区、由固态套管6熔融后形成的外包层区。
具体的，在步骤S4中，对光纤预制棒31进行光纤拉丝，并在光纤拉丝的过程中采用多通道主动式气控单元1控制堆栈结构的压力，例如第一毛细管41的内孔的压力、第一毛细管41和毛细棒42之间的间隙的压力、第二毛细管5和毛细棒42之间的间隙的压力、第二毛细管5的内孔的压力、相邻的两个第二毛细管5之间的间隙的压力、第二毛细管5和固态套管6之间的间隙的压力，优选的，第一毛细管41的内孔进行独立分压控制，以减小或扩大纤芯区中内孔的孔径，精确控制OAM模式环形模场的结构参数，如环形的内直径、外直径、面积等
在一个较佳的实施例中，内包层区中空气孔8的数量为36-396个，所有的毛细管和所有的支撑毛细棒427熔融后形成的具有空气孔8周期性分布的内包层的空气占空比为50～99％。
在一个较佳的实施例中，步骤S4中，于光纤拉丝过程中对内包层区进行分压独立控制，具体包括：
步骤S41，从内包层区选择一个第二毛细管5或对称分布的两个毛细管；
步骤S42，采用一多通道主动式气控单元1对被选择的第二毛细管5进行分压独立控制，以增大或减小被选择的第二毛细管5的孔径。
进一步的，于上述较佳的实施例中，如图5所示，本发明通过光纤堆栈系统将毛细管和毛细棒42进行堆栈成堆栈体，并将得到的光纤预制棒31提供给光纤拉丝塔系统2(图中未示出)进行光纤拉丝，光纤拉丝塔系统2由预制棒进给装置21、高温炉、数量为1～5个的涂覆固化装置23、光纤转向引导轮24、具有能够调整拉丝速度和调节裸光纤32直径的主光纤牵引轮251的主牵引系统25、舞蹈轮26、具有收线盘271的成品光纤收线装置27组成。通过预制棒进给装置21将上述光纤预制棒31提供给高温炉，高温炉使光纤预制棒31熔融成丝形成裸光纤32，涂覆固化装置23使裸光纤32的表面涂覆高分子材料并固化后形成具有涂覆层的光纤33，具有涂覆层的光纤33通过光纤转向引导轮24后进入主牵引系统25中，主牵引系统25中的主光纤牵引轮251改变具有涂覆层的光纤33的直径后得到空芯保偏反谐振光纤，即缺陷芯微结构光纤34，空芯保偏反谐振光纤经过舞蹈轮26后由成品光纤收线装置27中的收线盘271收集，并在拉丝过程中通过多通道的主动式气控单元1控制光纤中各处的气体压力，以得到实际需要光纤结构；
进一步的，涂覆固化装置23的数量为2个，每个涂覆固化装置23分别包括用于在裸光纤32的表面涂覆高分子材料的涂覆器231，以及对涂覆的高分子材料进行固化处理的固化炉232，对熔融而成裸光纤32重复两次高分子材料涂覆并固化的过程。涂覆固化装置23通过紫外固化法将裸光纤32的表面涂覆的高分子材料进行固化；其中，高分子材料为丙烯酸酯或硅胶，则涂覆层的厚度为50～150微米。
或者涂覆固化装置23通过热固化法将裸光纤32的表面涂覆的高分子材料进行固化；其中，高分子材料为聚酰亚胺，则涂覆层的厚度为10～20微米。
需要说明的是，上述光纤堆栈系统通过常规技术可以实现，任何能够将毛细管排列成堆栈结构的系统均可采用，上述多通道主动式气控单元1采用现有技术，利用多通道主动式气控单元1控制光纤预制棒31中各区域的气体压力的具体数值根据所要制备的光纤的参数需求来确定；上述光纤拉丝塔系统2中预制棒进给装置21、高温石墨炉22、涂覆器231、固化炉232、光纤转向引导轮24、主牵引系统25、舞蹈轮26、成品光纤收线装置27均采用现有技术；高温炉的工作温度、固化炉232的固化温度及其它所需的工艺参数均采用现有的光纤拉丝中所采用的工艺参数或再适当调整。
本发明的有益效果在于：
本发明采用同一种材料制备形成，无需再额外掺杂材料，降低了制备的成本；通过在实心的纤芯中引入一个空气孔，形成环形波导，使得光纤能够传输OAM光束，起到束缚波导的作用；基于光子晶体光纤的堆栈法，使得轨道角动量传输的微结构光纤不再只是一种理论性的构想，能够实际制备得到，且在结构设计时，可调整微结构光纤的光波导参数，以满足应用于不同场景下的参数需求。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，其特征在于，包括：
一纤芯区，所述纤芯区包括一第一毛细管和多个毛细棒，多个所述毛细棒围绕所述第一毛细管堆栈，以形成一实心的环形纤芯，于所述环形纤芯中传输光波导；
一内包层区，所述内包层区围绕所述纤芯区设置，所述内包层区包括围绕所述纤芯区的外围周期性分布的空气孔，以降低所述内包层区的折射率；
一外包层区，所述外包层区套设于所述内包层区；
所述纤芯区、所述内包层区和所述外包层区均采用同一种材料。
2.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，其特征在于，所述外包层区由一具有预设厚度的固态材料制成；
所述预设厚度的范围为20um～200um。
3.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，其特征在于，还包括：
多个支撑毛细棒，多个所述支撑毛细棒分别填充于所述内包层区和所述外包层区之间，多个所述支撑毛细棒的尺寸不同。
4.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，其特征在于，所述内包层区由多个第二毛细管组成；
多个所述第二毛细管围绕所述环形纤芯依次堆栈形成一第二堆栈体。
5.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，其特征在于，所述空气孔的数量为36-396个。
6.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，其特征在于，所述光波导的传输方式为轨道角动量模式，所述轨道角动量模式的可传输模式的数量大于2。
7.根据权利要求6所述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，其特征在于，所述轨道角动量模式的可传输模式的数量为[30，48]。
8.一种轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤的制备方法，用于制备权利要求1-7任意一项所述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，将多个毛细棒围绕一第一毛细管堆栈形成径向截面呈正六边形的第一堆栈体；
步骤S2，多个第二毛细管环绕所述第一堆栈体的外围依次多层堆栈形成一第二堆栈体；
步骤S3，于所述第二堆栈体的外围套设一固态套管套设，并于所述第二堆栈体的外壁和所述固态套管的内壁之间的间隙中填充多个不同尺寸的支撑毛细棒，构成一光纤预制棒；
步骤S4，对所述光纤预制棒进行光纤拉丝，并于光纤拉丝过程中对所述光纤预制棒中各区域之间的间隙进行分压独立控制，以形成一缺陷芯微结构光纤，所述缺陷芯微结构光纤包括由所述第一毛细管和多个所述毛细棒熔融后形成的纤芯区、由多个所述第二毛细管和所有所述支撑毛细棒熔融后形成的周期性分布有空气孔的内包层区、由固态套管熔融后形成的外包层区。
9.根据权利要求8所述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述内包层区的空气占空比为50％～99％。
10.根据权利要求8所述的轨道角动量传输的缺陷芯微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，于光纤拉丝过程中对所述内包层区进行分压独立控制，具体包括：
步骤S41，从所述内包层区选择一个所述第二毛细管或对称分布的两个所述毛细管；
步骤S42，采用一多通道主动式气控单元对被选择的所述第二毛细管进行分压独立控制，以增大或减小所述被选择的所述第二毛细管的孔径。
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