CN114545547B - 一种环芯全固微结构光纤及其制备方法 - Google Patents

一种环芯全固微结构光纤及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环芯全固微结构光纤及其制备方法，所述光纤包括中心纤芯、包裹在中心纤芯上的环形纤芯，及依次包裹在环形纤芯上的第一限制包层、第一光纤基底、第二限制包层和第二光纤基底，其中，所述第一限制包层由第一低折射率棒紧密堆叠组成，所述第二限制包层由第二低折射率棒紧密堆叠组成，所述第一限制包层和第二限制包层用于组成限制区域对光束的传播进行限制，所述环形纤芯、第一限制包层和第二限制包层共同作用来实现轨道角动量模式传输。本发明实施例更容易制备，且具有较高的折射率差，可广泛应用于光纤通信技术领域。

Description

一种环芯全固微结构光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其是一种环芯全固微结构光纤及其制备方法。
背景技术
研究发现部分光束具有角动量，该角动量可分为轨道角动量(OAM)以及自旋角动量(SAM)。其中，OAM光束是一种螺旋相控光束。近年来，因其具有无限的拓扑电荷值和固有的正交性，OAM光束在光通信领域受到了广泛的关注。通过将多阶OAM波束进行多路复用，可以大幅度提高通信系统的传输容量。因此，基于OAM的模分复用(MDM)技术被认为是一种很好的解决单模系统容量不足的方案。传统的OAM光纤都是环形折射率分布的环芯结构，但是环芯光纤的工艺拉制较难且难以达到高折射率差，无法传输更多的模式。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种易制备，高折射率差的环芯全固微结构光纤及其制备方法。
一方面，本发明提供了一种环芯全固微结构光纤，包括：中心纤芯、包裹在中心纤芯上的环形纤芯，及依次包裹在环形纤芯上的第一限制包层、第一光纤基底、第二限制包层和第二光纤基底，其中，所述第一限制包层由第一低折射率棒紧密堆叠组成，所述第二限制包层由第二低折射率棒紧密堆叠组成，所述第一限制包层和第二限制包层用于组成限制区域对光束的传播进行限制，所述环形纤芯、第一限制包层和第二限制包层进行轨道角动量模式传输。
可选地，所述第一限制包层包括20个半径为1.25微米的第一低折射率棒，所述第一低折射率棒呈环形分布。
可选地，所述第二限制包层包括12个半径为3.75微米的第二低折射率棒，所述第二低折射率棒呈环形分布。
可选地，所述第一光纤基底为熔融石英材料，用于束缚第一限制包层。
可选地，所述第二光纤基底为熔融石英材料，用于束缚第二限制包层。
可选地，所述光纤支持1310纳米波段5阶角动量模组。
另一方面，本发明实施例还公开了一种制备方法，应用于如前面所述的一种环芯全固微结构光纤，包括：
通过环形纤芯包裹中心纤芯，在环形纤芯外壁环形堆叠第一低折射率棒，通过熔融石英管束缚第一低折射率棒，得到第一预制件；
将第一预制件在真空下进行拉伸，得到第二预制件；
在第二预制件外壁环形堆叠第二低折射率棒，通过熔融石英管束缚第二低折射率棒，得到第三预制件；
将第三预制件进行拉伸，得到环芯全固微结构光纤。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明实施例一种环芯全固微结构光纤，通过包裹在环形纤芯上的第一限制包层和第二限制包层组成限制区域对光束的传播进行限制，降低了约束损耗，同时通过环形纤芯、第一限制包层和第二限制包层进行轨道角动量模式传输；本发明实施例还通过第一低折射率棒和第二低折射率棒代替中心空芯区域，降低了拉制光纤的工艺难度，减少了光纤内部气孔的不定性变形对轨道角动量模式传输的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种环芯全固微结构光纤的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种环芯全固微结构光纤的实际剖面图。
图3为本发明实施例的一种光纤对轨道角动量模式在1.305～1.315nm波段的差分群延迟数据示意图；
图4为本发明实施例的一种轨道角动量0阶和1阶模式组成图；
图5为本发明实施例的一种轨道角动量2阶和3阶模式组成图；
图6为本发明实施例的一种轨道角动量4阶和5阶模式组成图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
参照图1，本发明实施例提供一种环芯全固微结构光纤，包括：中心纤芯1、包裹在中心纤芯1上的环形纤芯2，及依次包裹在环形纤芯2上的第一限制包层3、第一光纤基底4、第二限制包层5和第二光纤基底6，其中，所述第一限制包层3由第一低折射率棒紧密堆叠组成，所述第二限制包层5由第二低折射率棒紧密堆叠组成，所述第一限制包层3和第二限制包层5用于组成限制区域对光束的传播进行限制，所述环形纤芯2、第一限制包层3和第二限制包层5共同作用来实现轨道角动量模式传输。
进一步作为优选的实施方式，所述第一限制包层包括20个半径为1.25微米的第一低折射率棒，所述第一低折射率棒呈环形分布。
进一步作为优选的实施方式，所述第二限制包层包括12个半径为3.75微米的第二低折射率棒，所述第二低折射率棒呈环形分布。
进一步作为优选的实施方式，所述第一光纤基底为熔融石英材料，用于束缚第一限制包层。
进一步作为优选的实施方式，所述第二光纤基底为熔融石英材料，用于束缚第二限制包层。
进一步作为优选的实施方式，所述光纤支持1310纳米波段5阶角动量模组。
参照图2，本实施例通过了一种传输轨道角动量模式的环芯全固微结构光纤，该光纤与传统环形光纤的导光原理类似，主要是基于光的折射和全反射原理,即当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。本光纤采用了多个低折射率棒组成的限制区域以及具有高折射率的环形纤芯提高折射率差来实现较好的OAM模式传输。
另一方面，本发明实施例还公开了一种制备方法，应用于如前面所述的一种环芯全固微结构光纤，包括：
通过环形纤芯包裹中心纤芯，在环形纤芯外壁环形堆叠第一低折射率棒，通过熔融石英管束缚第一低折射率棒，得到第一预制件；
将第一预制件在真空下进行拉伸，得到第二预制件；
在第二预制件外壁环形堆叠第二低折射率棒，通过熔融石英管束缚第二低折射率棒，得到第三预制件；
将第三预制件进行拉伸，得到环芯全固微结构光纤。
本发明实施例一种环芯全固微结构光纤，包括：中心纤芯、包裹在中心纤芯上的环形纤芯，及依次包裹在环形纤芯上的第一限制包层、第一光纤基底、第二限制包层和第二光纤基底，通过上述方法制备得到。其中，中心纤芯为高折射率环，其折射率在1.45～1.47之间；第一限制包层由第一低折射率棒紧密堆叠组成，所述第二限制包层由第二低折射率棒紧密堆叠组成，其中第一低折射率棒和第二低折射率棒的折射率在1.42～1.44之间，第一低折射率棒和第二低折射率棒的大小并不相同。在一种实施例中，第一限制包层由20个半径为1.25微米的第一低折射率棒紧密堆叠组成，第二限制包层由12个半径为3.75微米的第二低折射率棒紧密堆叠组成。可以想到的是，本发明实施例的第一限制包层和第二限制包层的大小和数目可以根据光纤结构进行适度调整。本发明实施例采用了多个低折射率棒组成限制区域以及高折射率环来实现较好的轨道角动量(OAM)模式传输。在本实施例光纤的环芯区域周围存在许多低折射率棒进而能较好地将光束缚在环芯区域，降低了约束损耗。并且相对于光子晶体光纤，本实施例通过用低折射率棒代替中心空芯区域，大大降低了拉制光子晶体光纤的工艺难度，且避免了工艺导致光纤内部气孔的不定性变形对OAM模式传输的影响。本实施例通过使用高折射率的环形纤芯与低折射率棒提高折射率差来调控模式数量，使得光纤可以支持1310nm波段5阶OAM模组，一个模组内存在4个模式。同时，因为OAM模组间有效折射率差极大多数大于10^3，即可用模组弱耦合传输。本实施例光纤支持的OAM模式均为径向一阶模式。
对本发明实施例一种光纤进行性能参数仿真，对比普通的环形光纤，本实施例光纤能提供更大的模式折射率差，进而能保证OAM模式质量，防止光在传播过程中形成LP模。虽然该光纤结构并非完美的对称结构，但其双折射率差均大于10^-5,双折射效应较弱。同时，如表1所示该光纤的泄露损耗较低，模式质量也较好。表1为本发明实施例的一种仿真结果表，如下所示：
Figure BDA0003538085280000041
Figure BDA0003538085280000051
表1
参照图3，本发明实施例对OAM各模式在1.305～1.315nm波段的差分群延迟(DGD)。除OAM一阶模式外，其他模式差分群延迟均小于200ps/km，保证了较低的模式串扰。
参照图4-6，本发明实施例支持多个轨道角动量模式，图4中的黑白强度代表电场强度，小锥头代表电场线方向，结合两者可判断不同模式。本环芯全固微结构光纤中实际存在的是混合模，由HElm和EHlm两本征模组成。其中，l、m分别是电磁场沿圆周和径向的变化次数。通过将同一阶相位差为π/2的本征奇偶模线性叠加即可得到对应阶数的OAM模式。其中，l为拓扑荷数，m为径向阶数(取值为1，即对应的径向一阶模式)。具体叠加方式如下列公式：
Figure BDA0003538085280000052
Figure BDA0003538085280000053
Figure BDA0003538085280000054
上式中，even为奇模，odd为偶模，j为相位差，TE为第一电磁场模式，表示所有电场分量均与传输方向垂直，TM为第二电磁场模式，表示所有磁场分量均与传输方向垂直。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；所述存储器用于存储程序；所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行如前面所示的方法。
综上所述，本发明实施例具有以下优点：
(1)对比上掺杂空芯光纤，本发明实施例光纤在工艺上更容易控制环形纤芯的厚度及尺寸等，降低了拉制难度。
(2)本发明实施例通过采用低折射率棒代替空气孔，可以更好的控制光纤结构，避免了工艺过程中导致光纤内部气孔的不定性变形对OAM模式传输的影响。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种环芯全固微结构光纤，其特征在于，包括：中心纤芯、包裹在中心纤芯上的环形纤芯，及依次包裹在环形纤芯上的第一限制包层、第一光纤基底、第二限制包层和第二光纤基底，其中，所述第一限制包层由第一低折射率棒紧密堆叠组成，所述第二限制包层由第二低折射率棒紧密堆叠组成，所述第一限制包层和第二限制包层用于组成限制区域对光束的传播进行限制，所述环形纤芯、第一限制包层和第二限制包层进行轨道角动量模式传输；所述第一限制包层包括20个半径为1.25微米的第一低折射率棒，所述第一低折射率棒呈环形分布；所述第二限制包层包括12个半径为3.75微米的第二低折射率棒，所述第二低折射率棒呈环形分布。
2.根据权利要求1所述的一种环芯全固微结构光纤，其特征在于，所述第一光纤基底为熔融石英材料，用于束缚第一限制包层。
3.根据权利要求1所述的一种环芯全固微结构光纤，其特征在于，所述第二光纤基底为熔融石英材料，用于束缚第二限制包层。
4.根据权利要求1所述的一种环芯全固微结构光纤，其特征在于，所述光纤支持1310纳米波段5阶角动量模组。
5.根据权利要求1所述的一种环芯全固微结构光纤，其特征在于，所述环形纤芯的内径与外径之比为0.6。
6.一种制备方法，应用于如权利要求1所述的一种环芯全固微结构光纤，其特征在于，包括：
通过环形纤芯包裹中心纤芯，在环形纤芯外壁环形堆叠第一低折射率棒，通过熔融石英管束缚第一低折射率棒，得到第一预制件；
将第一预制件在真空下进行拉伸，得到第二预制件；
在第二预制件外壁环形堆叠第二低折射率棒，通过熔融石英管束缚第二低折射率棒，得到第三预制件；
将第三预制件进行拉伸，得到环芯全固微结构光纤。
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