CN114488391B - 传输及放大涡旋光的环形芯双包层光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传输及放大涡旋光的环形芯双包层光纤及其制备方法，光纤由内向外依次包括纤芯(1)、高折射率环(2)、内包层(3)和外包层(4)，其中高折射率环(2)的折射率最高，外包层(4)次之。本发明设计了一种传输及放大涡旋光的PbSe掺杂环形芯双包层光纤，该光纤通过高折射率环的内外层掺杂了低于包层折射率的外部材料，增加折射率的对比度。本光纤应用于光纤传感器中，可实现高分辨率应变测量、提高温度传感器灵敏度等；应用于涡旋光光纤放大器中，可降低放大器系统损耗，提高增益，增加通信距离等，具有良好的应用价值。

Description

传输及放大涡旋光的环形芯双包层光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤结构，以及这种光纤的制备方法。
背景技术
当前，光传输系统的研究正处于活跃的发展期，光的幅度、时间/频率、正交相位和偏振4个物理维度已通过偏振复用、频分复用等光传输技术被利用到接近极限，单纤容量向100T bit/s发展，已接近普通商用单模光纤传输系统的香农极限。因此，研究人员开始关注尚未得到充分利用的光纤空间维度。空分复用是通过在空间独立的传输信道上，增加单个光纤数据通路的数量从而提升光纤的传输容量。光纤通信系统的空分复用技术主要包括芯分复用和模分复用方式，模分复用利用同一纤芯内部中不同模式间的正交性，将信号加载到每个模式上进行传输。模分复用技术中的一种新型复用技术—轨道角动量(orbitalangular momentum,OAM)复用技术，利用OAM模式内在的正交性，将多路信号调制在不同的OAM模式上，根据模式的不同区分不同的信道。由于具有OAM的螺旋波束可以构成无穷维的希尔伯特空间，因此理论上同一载频利用OAM复用可获得无穷的传输能力。
涡旋光是携带有光轨道角动量信息的具有螺旋形相位分布的光束，在普通的圆光纤中，模间有效折射率差小，涡旋光在普通光纤中传输时容易发生模式简并，严重影响了信号质量，并不适合用于传输涡旋光，所以需要设计一种适于传输涡旋光的光纤结构。放大器作为光纤通信系统的核心技术，是光纤通信发展史上的一个新的里程碑，然而，光纤通信容量日益增大，对光放大带宽提出了更高的要求。掺铒光纤放大器由于高增益、低损耗等优点已经得到了广泛的应用。例如：文献《Amplifying Orbital Angular Momentum Modes inRing-Core Erbium-Doped Fiber》(Research，2020)提出并构造了一种基于空气孔掺铒环形芯光纤(RC-EDF)的涡旋光光纤放大器。两个涡旋光模式(OAM+1和OAM-1)各自承载10Gbaud正交相移键控(QPSK)或正交幅度调制(QAM)信号，通过基于RC-EDF的涡旋光光纤放大器复用在一起并放大。通过在四个波长上放大两个承载10G baud QPSK信号的涡旋光模式，评估了涡旋光光纤放大器与波分复用(WDM)系统的兼容性，测量的小信号增益在1530到1565nm之间大于14dB。结果表明，基于RC-EDF的涡旋光光纤放大器在数据传输OAM复用和WDM系统中具有良好的性能。但由于铒离子能带结构固定，掺铒光纤放大器放大带宽只有35nm，需要寻找一种更优良的掺杂介质。
半导体纳米晶体量子点具有独特的量子点尺寸效应，可以选择不同的增益波段，而量子限域效应使得量子点发出的荧光具有波长连续可调的特性，另外量子点还具有较大的增益窗口、尺寸小散射低、合成技术成熟成本低等优点。其中PbS、PbSe量子点的带隙能量可以覆盖常用的1310nm和1550nm的通信窗口，可以在几乎整个近红外波段产生宽带光辐射，将PbS、PbSe量子点材料运用在光放大器中具有很大的潜力和前景。如文献《Ultra-wideband and flat-gain optical properties of the PbS quantum dots-dopedsilica fiber》(Optics Express，2019)研究了采用原子层沉积(ALD)掺杂技术制备的掺杂PbS量子点石英光纤(PQDF)的微观结构和光学性能。该光纤具有超宽带发光和平坦增益，3dB带宽为300nm。在1050-1350nm处，开关增益和净增益分别可达7.1-15.0dB和6.0-9.2dB，计算结果表明，集中在3.65-4.45nm的多尺寸PbS量子点使3dB增益带宽增加，比传统的掺铒光纤(EDF)宽6倍。因此，这种类型的PQDF是一种很有前途的光放大器和宽带光源增益介质。又如。又如申请号为201910501826.9公开的一种放大OAM光束的PbS环形芯光纤及其制备方法，提供了一种PbS环形芯光纤，可以放大OAM光束，应用在涡旋光光纤放大器中，能够降低信号衰减，增加通信距离。
目前对于量子点光纤的研究主要还是集中于制备芯包结构的少模光纤，对于量子点环形芯掺杂光纤的研究也主要集中在一个环的结构上，模式折射率差较小，内包层掺低折射率材料可以进一步提高芯包折射率差，利于涡旋光传输。另外能够实现涡旋光的放大实验研究更多的是偏向于1阶涡旋光模式，高阶的模式放大主要还是在数值模拟的理论分析阶段。所以设计出适用于涡旋光模式传输及放大的折射率对比度高的环形芯光纤，对于通信系统容量的提升具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对涡旋光在普通光纤中传输时容易发生模式简并导致影响信号质量的问题，提供了一种传输及放大涡旋光的PbSe掺杂环形芯双包层光纤及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种传输及放大涡旋光的环形芯双包层光纤，光纤由内向外依次包括纤芯、高折射率环、内包层和外包层。
这四层结构中，高折射率环的折射率最高，外包层次之。
光纤的芯包折射率差高，高折射率环和内包层的折射率差值大于2％。
纤芯直径5-7μm，高折射率环直径20-24μm，内包层直径30-38μm，外包层直径120-130μm。
纤芯以及内包层掺杂降低折射率的材料，高折射率环掺杂提高折射率的材料。
高折射率环掺杂PbSe和GeO2。
光纤荧光谱范围1150～1700nm，增益范围在1530～1620nm可实现带宽放大。
光纤可传输的涡旋光模式为：OAM11、OAM 21、OAM 31、OAM 41、OAM 51、OAM 61，HE21、TE01和TM01可以合成涡OAM 11，HE31和EH11可以合成OAM 21，HE41和EH21可以合成OAM 31，HE51和EH31可以合成OAM 41，HE61和EH41可以合成OAM 51，HE71和EH51可以合成OAM 61。
传输及放大涡旋光环形芯双包层光纤的制备方法，包括：在石英基管的外面用氢氧火焰加热到1700℃以上，从基管的一头由氧气作为载体将SiCl4和GeCl4带入基管，先沉积掺硼内包层，然后加入PbSe粉末，粉末挥发成气体进入石英基管，沉积成高折射率环层，最后沉积掺硼二氧化硅芯层；塌缩成PbSe掺杂光纤预制棒后利用拉丝塔将预制棒拉制成一定几何外径的光纤。
本光纤应用于光纤传感器中，可实现高分辨率应变测量、提高温度传感器灵敏度等；应用于涡旋光光纤放大器中，可降低放大器系统损耗，提高增益，增加通信距离等，具有良好的应用价值。
本发明的有益效果：(1)本发明设计了一种传输及放大涡旋光的PbSe掺杂环形芯双包层光纤，该光纤通过高折射率环的内外层掺杂了低于包层折射率的外部材料，增加折射率的对比度。
(2)本发明提供的PbSe掺杂环形芯双包层光纤，具有增益谱宽、荧光强度高、模式容量多、损耗低和高增益等优点，可应用于光纤放大器中，提高光纤放大器的增益。
(3)本发明提供的PbSe掺杂环形芯双包层光纤，可用于光通信中的模分复用和空分复用系统中，应用于光纤传感器中，可实现高分辨率应变测量、提高温度传感器灵敏度等；应用于涡旋光光纤放大器中，可降低放大器系统损耗，提高增益，增加通信距离等，具有良好的应用价值。
(4)本发明提供的PbSe掺杂环形芯双包层光纤的光纤模式容量大，光纤带宽大，可弥补传统掺铒光纤放大器带宽小的缺点。
附图说明
图1为本发明PbSe掺杂环形芯双包层光纤的构示意图；其中1-纤芯，2-高折射率环，3-内包层，4-外包层。
图2为本发明PbSe掺杂环形芯双包层光纤的实际端面图。
图3为本发明PbSe掺杂环形芯双包层光纤的在980nm泵浦源不同功率下的1000-1700nm处的荧光性能测试结果图。
图4为本发明PbSe掺杂环形芯双包层光纤实际传输的4阶涡旋光光场分布及螺旋干涉条纹。
具体实施方式
实施例1：
一种传输及放大涡旋光的PbSe掺杂环形芯双包层光纤，所述光纤包括纤芯、高折射率环、内包层和外包层。
进一步地，所述纤芯以及内包层为掺有低折射率材料的石英；高折射率环为掺有PbSe材料；外包层为纯石英材料制成。
进一步地，所述纤芯的直径为6μm，高折射率环的直径为22μm，内包层的直径为34μm，外包层直径为126μm；高折射率环和内包层的折射率差值为2.2％，在1550nm处的损耗为0.246dB/m。
进一步地，所述光纤是在改进的化学气相沉积法(MCVD)中增加PbSe粉末高温汽化沉积工艺拉制而成。包括以下步骤：
首先，将纯石英基管放置在MCVD车床上，在石英基管的外面用氢氧火焰加热到1700℃以上。接着，从基管的一头由氧气作为载体将SiCl4和GeCl4带入基管，先沉积掺有低折射率材料的内包层。PbSe粉末经高温加热在1065℃达到熔点后会蒸发汽化的变成PbSe气体也进入石英基管，沉积成高折射率环层，最后沉积掺有低折射率材料的二氧化硅芯层。之后塌缩成PbSe掺杂光纤预制棒。最后，利用拉丝塔将预制棒拉制成一定几何外径的光纤。没有沉积下来的玻璃体，由工艺气体载带，经由尾部的较大直径的灰粒收集管(俗称尾管)，进入灰粒收集管，甚至部分被直接抽吸到洗涤塔进行处理。
进一步地，所述光纤可以传输和放大涡旋光模式。
进一步地，所述光纤在高折射率环的内外层掺杂了低于外包层折射率的外部材料，增加折射率的对比度，更利于传输涡旋光光束。
进一步地，所述光纤荧光谱范围1150～1700nm，增益范围在1530～1620nm。
进一步地，一种传输及放大涡旋光的PbSe掺杂环形芯双包层光纤在通信系统中的应用，应用于光纤传感器中，可实现高分辨率应变测量、提高温度传感器灵敏度等；应用于涡旋光光纤放大器中，可降低放大器系统损耗，提高增益，增加通信距离等，具有良好的应用价值。
实施例2：如图1所示，一种传输及放大涡旋光的PbSe掺杂环形芯双包层光纤，所述光纤包括纤芯、高折射率环、内包层和外包层。纤芯以及内包层为掺有硼化物的石英材料；高折射率环为掺有有源材料及GeO2材料；外包层为纯石英材料制成。所述纤芯的直径为6μm，高折射率环的直径为22μm，内包层的直径为34μm，外包层直径为126μm。
传输及放大涡旋光的PbSe掺杂环形芯双包层光纤的制备方法如下：
首先，将纯石英基管放置在MCVD车床上，在石英基管的外面用氢氧火焰加热到1700℃以上。接着，从基管的一头由氧气作为载体将SiCl4和GeCl4带入基管，先沉积掺硼内包层。PbSe粉末经高温加热在1065℃达到熔点后会蒸发汽化的变成PbSe气体也进入石英基管，沉积成高折射率环层，最后沉积掺硼二氧化硅芯层。之后塌缩成PbSe掺杂光纤预制棒。最后，利用拉丝塔将预制棒拉制成一定几何外径的光纤。没有沉积下来的玻璃体，由工艺气体载带，经由尾部的较大直径的灰粒收集管(俗称尾管)，进入灰粒收集管，甚至部分被直接抽吸到洗涤塔进行处理。
对上述已制备出来的用于传输及放大涡旋光光束的PbSe掺杂环形芯双包层光纤进行端面观测、折射率差、荧光特性、增益特性测试，以及模式容量仿真测试。光纤实际端面如图2所示。
本申请PbSe掺杂环形芯双包层光纤在980nm泵浦源不同功率下的荧光性能测试结果如图3所示，图3中从下至上的光谱所对应的泵浦功率逐渐增大；由图3可知，本申请用于传输及放大涡旋光光束的PbSe掺杂环形芯双包层光纤的在1150～1700nm范围内有荧光现象。
本申请PbSe掺杂环形芯双包层光纤的实际参数仿真出来的光纤可传输的涡旋光模式为：OAM11、OAM 21、OAM 31、OAM 41、OAM 51、OAM 61，HE21、TE01和TM01可以合成涡OAM 11，HE31和EH11可以合成OAM 21，HE41和EH21可以合成OAM 31，HE51和EH31可以合成OAM 41，HE61和EH41可以合成OAM 51，HE71和EH51可以合成OAM 61，该光纤的模式容量较大。
本申请PbSe掺杂环形芯双包层光纤在1550nm信号光固定功率下的4阶涡旋光以及涡旋光干涉结果图如图4所示，从螺旋干涉条纹可知，该光纤可成功传输4阶涡旋光模式。
综上所述，本申请方法制得的有源掺杂环形芯光纤具有高折射率差(内包层掺低折射率材料，高折射率环与内包层折射率差为2.2％)、模式容量大(按照仿真结果可以短距离传输6个涡旋光模式)、光纤荧光范围宽(在1150nm-1700nm可观察到荧光现象)，光纤带宽大(大于目前的掺铒光纤放大器的35nm的带宽)、损耗低、增益高。本发明设计了用于传输及放大涡旋光光束的PbSe掺杂环形芯双包层光纤，该光纤应用于涡旋光光纤放大器中，可有效传输及放大高阶涡旋光模式，提高光纤放大器的增益，降低信号衰落，增加通信距离；应用于光纤传感器中，可实现高分辨率应变测量、提高温度传感器灵敏度等。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种传输及放大涡旋光的环形芯双包层光纤，其特征在于：光纤由内向外依次包括纤芯(1)、高折射率环(2)、内包层(3)和外包层(4)，纤芯(1)直径5-7μm，高折射率环(2)直径20-24μm，内包层(3)直径30-38μm，外包层(4)直径120-130μm，纤芯(1)以及内包层(3)掺杂降低折射率的材料，高折射率环(2)掺杂PbSe和GeO2，纤芯(1)、高折射率环(2)、内包层(3)和外包层(4)中，高折射率环(2)的折射率最高，外包层(4)次之；光纤的芯包折射率差高，高折射率环(2)和内包层(3)的折射率差值大于2％。
2.根据权利要求1所述传输及放大涡旋光的环形芯双包层光纤，其特征在于:光纤荧光谱范围1150～1700nm，增益范围在1530～1620nm可实现带宽放大。
3.根据权利要求1所述传输及放大涡旋光的环形芯双包层光纤，其特征在于:光纤可传输的涡旋光模式为：OAM11、OAM21、OAM31、OAM41、OAM51、OAM61，HE21、TE01和TM01可以合成涡OAM11，HE31和EH11可以合成OAM21，HE41和EH21可以合成OAM31，HE51和EH31可以合成OAM41，HE61和EH41可以合成OAM51，HE71和EH51可以合成OAM61。
4.一种传输及放大涡旋光环形芯双包层光纤的制备方法，用于制备权利要求1所述的光纤，其特征在于包括：在石英基管的外面用氢氧火焰加热到1700℃以上，从基管的一头由氧气作为载体将SiCl4和GeCl4带入基管，先沉积掺硼内包层(3)，然后加入PbSe粉末，粉末挥发成气体进入石英基管，沉积成高折射率环层(2)，最后沉积掺硼二氧化硅芯层(1)；塌缩成PbSe掺杂光纤预制棒后利用拉丝塔将预制棒拉制成一定几何外径的光纤。
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