CN112851110B - 一种轨道角动量传输的环形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环形微结构光纤及制备方法，属于光纤通信领域，包括内包层区、外包层区和环形纤芯区，内包层区包括若干周期性分布的空气孔，其空气占空比为50～99％；光波导的传输方式为轨道角动量模式，可传输模式的数量大于2，模式纯度大于90％；内包层区、环形纤芯区和外包层区均采用同一种材料。本发明的有益效果在于：无需额外掺杂材料，降低成本，引入的空气孔能够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微结构光纤不再是一种理论构想，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

一种轨道角动量传输的环形微结构光纤及制备方法
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环形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；现有的某些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、能够制备得到基于光子晶体光纤堆栈法的轨道角动量传输的环形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环形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环形微结构光纤，包括：
内包层区，所述内包层区包括若干空气孔，所述空气孔周期性分布；
外包层区，所述外包层区包括具有空气孔的第一外包层区和实心的第二外包层区；
环形纤芯区，位于所述内包层区和所述第一外包层区之间，于实心的所述环形纤芯区中传输光波导；
其中，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；
所述内包层区、所述环形纤芯区和所述外包层区均采用同一种材料。
优选地，制备所述内包层区、所述环形纤芯区和所述外包层区的材料为石英玻璃，或多组分软玻璃，或高分子材料；
所述多组分软玻璃中的金属氧化物为氧化碲、氧化锗、氧化锂、氧化锌、硫化物、硒化物、碲化物、氟化物、碘化物或磷化物中的一种；
所述高分子材料为碳链高聚物，或杂链高聚物，或元素有机高聚物，所述碳链高聚物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜树脂、或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，所述杂链高聚物为聚酰胺、聚酰亚胺、或聚丙烯酰胺中的一种。
优选地，所述内包层区中空气孔的数量为[1，396]；
所述内包层区中所述空气孔的直径为[5um，40um]。
优选地，所述第一外包层区中所述空气孔的数量大于6；
所述第一外包层区中所述空气孔直径为[5um，40um]。
优选地，所述环形纤芯区的内直径为[5um，600um]，所述环形纤芯区的外直径为[10um，800um]，所述环形纤芯区的厚度为[5um，200um]。
优选地，所述第二外包层区的直径为[100um，1000um]。
优选地，所述轨道角动量模式的可传输模式的数量为[30，52]。
本发明还提供一种轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，包括如上述的轨道角动量传输的环形微结构光纤，包括如下步骤：
步骤S1，将若干个第一毛细管堆栈形成径向截面为正六边形的堆栈体，将所述堆栈体嵌套入一第一石英管中，并于所述堆栈体的外围与所述第一石英管的内壁之间的间隙中填充若干根不同直径大小的支撑毛细管；
步骤S2，若干根第二毛细管环绕于所述第一石英管的外壁设置，使每根所述第二毛细管和所述第一石英管的外壁紧贴，并于所有所述第二毛细管的外围套设一第二石英管，并进行高温拉伸，得到预制中间体；
步骤S3，于所述预制中间体外套设一第三石英管，得到一光纤预制棒；
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分别控制所述光纤预制棒中的各区域的正负压力，得到环形微结构光纤，所述环形微结构光纤包括由所有所述第一毛细管和所述支撑毛细管熔融后形成的具有空气孔的内包层区、由第一石英管熔融后形成的环形纤芯区、由所有所述第二毛细管熔融后形成的具有空气孔的第一外包层区、以及由所述第二石英管熔融后形成的第二外包层区。
优选地，所述第一毛细管和所述第二毛细管的内外径比均大于0.5。
优选地，所述第一毛细管和所述第二毛细管的内外径比相同，且所述第一毛细管的直径和所述第二毛细管的直径相同。
本发明的有益效果在于：
本发明所制备得到的微结构光纤均采用同一种材料，无需再额外掺杂材料，降低了制备的成本，通过引入空气孔，能够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；同时在光纤制备过程中，通过控制光纤的压力，可灵活地调节光纤参数，以获得不同阶OAM模式在光纤中的传输特性。
附图说明
图1为本发明中一种轨道角动量传输的环形微结构光纤的结构示意图；
图2为本发明中环形微结构光纤内光传输具体实施例的能量分布图；
图3为本发明中光纤预制棒具体实施例的结构示意图；
图4为本发明中一种轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法具体实施例的流程示意图。
附图标记：
内包层区(1)，第一毛细管(10)，支撑毛细管(11)，环形纤芯区(2)，第一石英管(20)，第一外包层区(3)，第二毛细管(30)，第二外包层区(4)，第二石英管(40)，空气孔(5)。
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环形微结构光纤，属于光纤通信领域，如图1和图2所示，包括：
内包层区1，内包层区1包括若干空气孔5，空气孔5周期性分布，使得内包层区1中的空气占空比为50～99％；
外包层区，外包层区包括具有空气孔5的第一外包层区3和实心的第二外包层区4；
环形纤芯区2，位于内包层区1和第一外包层区3之间，于实心的环形纤芯区2中传输光波导；
其中，光波导的传输方式为轨道角动量模式，轨道角动量模式的可传输模式的数量大于2，可传输模式的模式纯度大于90％；
内包层区1、环形纤芯区2和外包层区均采用同一种材料。
具体的，用于轨道角动量传输的环形微结构光纤包括内包层区1、外包层区和环形纤芯区2，环形纤芯区2在内包层区1和外包层区之间，光波导在环形纤芯区2的固体实心材料中传输，并不在空气孔5中传输，从而形成一种环形模场，光波导传输方式为OAM模式，可传输模式数大于2，可传输模式的模式纯度大于90％。
通过上述技术方案，光纤结构均采用同一种材料，通过引入空气孔5，降低包层区的折射率，使得环形纤芯区2的折射率与内包层区1、外包层区的折射率之差增大，摒弃了现有技术中各区域之间通过不同材料产生折射率差，不需要额外掺杂不同的材料，降低了光纤制备的成本；通过堆栈法构造出一个环形纤芯，使的制备得到的光纤具有传输OAM光束的能力，可多种轨道角动量模式传输光信号，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，实现该光纤的实际工业化生产，打破了其应用局限性。
在一个较佳的实施例中，制备内包层区1、环形纤芯区2和外包层区的材料为石英玻璃，或多组分软玻璃，或高分子材料；
多组分软玻璃中的金属氧化物为氧化碲、氧化锗、氧化锂、氧化锌、硫化物、硒化物、碲化物、氟化物、碘化物或磷化物中的一种；
高分子材料为碳链高聚物，或杂链高聚物，或元素有机高聚物，碳链高聚物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜树脂、或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，杂链高聚物为聚酰胺、聚酰亚胺、或聚丙烯酰胺中的一种。
具体的，制备光纤的材料可以采用纯石英玻璃，也可以采用其他适合制备光纤的材料，且只需采用同一种材料制备光纤即可。
在一个较佳的实施例中，内包层区1中空气孔5的数量为[1，396]；
内包层区1中空气孔5的直径为[5um，40um]。
在一个较佳的实施例中，第一外包层区3中空气孔5的数量大于6；
第一外包层区3中空气孔5直径为[5um，40um]。
在一个较佳的实施例中，环形纤芯区2的内直径为[5um，600um]，环形纤芯区2的外直径为[10um，800um]，环形纤芯区2的厚度为[5um，200um]。
在一个较佳的实施例中，第二外包层区4的直径为[100um，1000um]。
具体的，整个光纤的直径为[100um，1000um]，即为第二外包层区4的外直径。
在一个较佳的实施例中，一般情况下，轨道角动量模式的可传输模式的数量为[30，52]。
本发明还提供一种轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，包括如上述的轨道角动量传输的环形微结构光纤，如图3和图4所示，包括如下步骤：
步骤S1，将若干个第一毛细管10堆栈形成径向截面为正六边形的堆栈体，将堆栈体嵌套入一第一石英管20中，并于堆栈体的外围与第一石英管20的内壁之间的间隙中填充若干根不同直径大小的支撑毛细管11；
步骤S2，若干根第二毛细管30环绕于第一石英管20的外壁设置，使每根第二毛细管30和第一石英管20的外壁紧贴，并于所有第二毛细管30的外围套设一第二石英管40，并进行高温拉伸，得到预制中间体；
步骤S3，于预制中间体外套设一第三石英管，得到一光纤预制棒；
步骤S4：对光纤预制棒进行光纤拉丝，并于光纤拉丝过程中分别控制光纤预制棒中的各区域的正负压力，得到环形微结构光纤，环形微结构光纤包括由所有第一毛细管10和支撑毛细管11熔融后形成的具有空气孔5的内包层区1、由第一石英管20熔融后形成的环形纤芯区2、由所有第二毛细管30熔融后形成的具有空气孔5的第一外包层区3、以及由第二石英管40熔融后形成的第二外包层区4。
在一个较佳的实施例中，第一毛细管10和第二毛细管30的内外径比均大于0.5。
在一个较佳的实施例中，第一毛细管10和第二毛细管30的内外径比相同，且第一毛细管10的直径和第二毛细管30的直径相同。
进一步的，其中第一石英管20熔融后形成环形纤芯区2，熔融后的第一石英管20内外径比即为环形纤芯区2的内外径比。
本发明中轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备过程具体如下：
步骤S1，将若干个内外径比大于0.5的第一毛细管10通过现有技术中大堆栈系统或装置堆栈形成径向截面为正六边形的堆栈体，将上述堆栈体套入第一石英管20中，并于堆栈体的外围与第一石英管20的内壁之间的间隙中填充若干根不同直径大小的支撑毛细管11，以保证堆栈结构的稳定性，其中被填充的支撑毛细管11的直径普遍偏小；
步骤S2，若干根内外径比大于0.5的第二毛细管30环绕于第一石英管20的外壁设置，使每根第二毛细管30和第一石英管20的外壁紧贴，并于所有第二毛细管30的外围套设一第二石英管40，并对上述得到的结构进行高温拉伸，得到预制中间体；
其中，第一毛细管10和第二毛细管30采用相同的直径，以及相同的内外径比，且在后续熔融过程中，也需保持同样的直径及内外径比；
步骤S3，于预制中间体外套设一第三石英管(图中未示出)，得到一光纤预制棒；
步骤S4：对光纤预制棒进行光纤拉丝，并于光纤拉丝过程中分别通过多通道的主动式气控单元主动精密控制光纤预制棒中的各区域的正负压力，得到环形微结构光纤，环形微结构光纤包括由所有第一毛细管10和支撑毛细管11熔融后形成的具有空气孔5的内包层区1、由第一石英管20熔融后形成的环形纤芯区2、由所有第二毛细管30熔融后形成的具有空气孔5的第一外包层区3、以及由第二石英管40熔融后形成的第二外包层区4。
在光纤拉丝的过程中，对各区域进行分区独立控制，主要通过控制光纤预制棒中毛细管的毛细孔内的压力、各毛细管之间的空隙内的压力、毛细管与第一石英管20之间的空隙内的压力、毛细管与第二石英管40之间的空隙内的压力，使得所有石英结构的毛细管和所有支撑毛细管11熔融后形成的具有空气孔5周期性分布的内包层中的空气占空比为50～99％。
本发明通过光纤堆栈系统将毛细管进行堆栈成堆栈体，并将得到的光纤预制棒提供给光纤拉丝塔系统(图中未示出)进行光纤拉丝，光纤拉丝塔系统由预制棒进给装置、高温炉、数量为1～5个的涂覆固化装置、光纤转向引导轮、具有能够调整拉丝速度和调节裸光纤直径的主光纤牵引轮的主牵引系统、舞蹈轮、具有收线盘的成品光纤收线装置组成。通过预制棒进给装置将上述光纤预制棒提供给高温炉，高温炉使光纤预制棒熔融成丝形成裸光纤，涂覆固化装置使裸光纤的表面涂覆高分子材料并固化后形成具有涂覆层的光纤，具有涂覆层的光纤通过光纤转向引导轮后进入主牵引系统中，主牵引系统中的主光纤牵引轮改变具有涂覆层的光纤的直径后得到高占空比多芯微结构通信光纤，高占空比多芯微结构通信光纤经过舞蹈轮后由成品光纤收线装置中的收线盘收集，并在拉丝过程中通过多通道的主动式气控单元控制光纤中各处的气体压力，以得到实际需要的高占空比多芯微结构通信光纤；
在一个较佳的实施例中，涂覆固化装置的数量为2个，每个涂覆固化装置分别包括用于在裸光纤的表面涂覆高分子材料的涂覆器，以及对涂覆的高分子材料进行固化处理的固化炉，对熔融而成裸光纤重复两次高分子材料涂覆并固化的过程。
在一个较佳的实施例中，涂覆固化装置通过紫外固化法将裸光纤的表面涂覆的高分子材料进行固化；
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。
在一个较佳的实施例中，涂覆固化装置通过热固化法将裸光纤的表面涂覆的高分子材料进行固化；
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采用现有技术，利用多通道主动式气控单元控制光纤预制棒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中预制棒进给装置、高温石墨炉、涂覆器、固化炉、光纤转向引导轮、主牵引系统、舞蹈轮、成品光纤收线装置均采用现有技术；高温炉的工作温度、固化炉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：
本发明所制备得到的微结构光纤均采用同一种材料，无需再额外掺杂材料，降低了制备的成本，通过引入空气孔，能够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；同时在光纤制备过程中，通过控制光纤的压力，可灵活地调节光纤参数，以获得不同阶OAM模式在光纤中的传输特性。
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 (9)

1.一种轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，其特征在于，环形微结构光纤包括：
内包层区，所述内包层区包括若干空气孔，所述空气孔周期性分布；
外包层区，所述外包层区包括具有空气孔的第一外包层区和实心的第二外包层区；
环形纤芯区，位于所述内包层区和所述第一外包层区之间，于实心的所述环形纤芯区中传输光波导；
其中，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；
所述内包层区、所述环形纤芯区和所述外包层区均采用同一种材料；
制备方法包括如下步骤：
步骤S1，将若干个第一毛细管堆栈形成径向截面为正六边形的堆栈体，将所述堆栈体嵌套入一第一石英管中，并于所述堆栈体的外围与所述第一石英管的内壁之间的间隙中填充若干根不同直径大小的支撑毛细管；
步骤S2，若干根第二毛细管环绕于所述第一石英管的外壁设置，使每根所述第二毛细管和所述第一石英管的外壁紧贴，并于所有所述第二毛细管的外围套设一第二石英管，并进行高温拉伸，得到预制中间体；
步骤S3，于所述预制中间体外套设一第三石英管，得到一光纤预制棒；
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分别控制所述光纤预制棒中的各区域的正负压力，得到环形微结构光纤，所述环形微结构光纤包括由所有所述第一毛细管和所述支撑毛细管熔融后形成的具有空气孔的所述内包层区、由所述第一石英管熔融后形成的所述环形纤芯区、由所有所述第二毛细管熔融后形成的具有空气孔的所述第一外包层区、以及由所述第二石英管熔融后形成的所述第二外包层区。
2.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，其特征在于，制备所述内包层区、所述环形纤芯区和所述外包层区的材料为石英玻璃，或多组分软玻璃，或高分子材料；
所述多组分软玻璃中含有氧化碲、氧化锗、氧化锂、氧化锌、硫化物、硒化物、碲化物、氟化物、碘化物或磷化物中的一种；
所述高分子材料为碳链高聚物，或杂链高聚物，或元素有机高聚物，所述碳链高聚物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜树脂、或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，所述杂链高聚物为聚酰胺、聚酰亚胺、或聚丙烯酰胺中的一种。
3.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，其特征在于，
所述内包层区中所述空气孔的直径为5um至40um。
4.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述第一外包层区中所述空气孔的数量大于6；
所述第一外包层区中所述空气孔直径为5um至40um。
5.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述环形纤芯区的内直径为5um至600um，所述环形纤芯区的外直径为10um至800um，所述环形纤芯区的厚度为5um，200um。
6.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述第二外包层区的直径为100um至1000um。
7.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，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至52。
8.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述第一毛细管和所述第二毛细管的内外径比均大于0.5。
9.根据权利要求1所述的轨道角动量传输的环形微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述第一毛细管和所述第二毛细管的内外径比相同，且所述第一毛细管的直径和所述第二毛细管的直径相同。
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