一種用于軌道角動量產生及調諧的渦旋光纖制造技術

本發明專利技術公開了一種用于軌道角動量產生及調諧的渦旋光纖。該光纖包括纖芯、應力區和包層。應力區填充壓電材料，電控壓電材料使得應力區產生形變，從而對光纖纖芯施加應力，引起纖芯材料介電常數各向異性變化，導致應力雙折射的產生。適當調整電壓以改變應力，使通過該光纖的兩同相正交模式出現±π/2相位差，從而實現OAM模式的產生。對于不同階數的模式，施加不同電壓，即可獲得OAM可調諧的渦旋光。本發明專利技術提供的光纖結構簡單、操作靈活、損耗極低，可用于渦旋光產生、OAM傳感和OAM光纖通信系統。

A vortex optical fiber used for the generation and tuning of orbital angular momentum

The invention discloses a vortex optical fiber used for producing and tuning the orbital angular momentum. The fiber comprises a core, a stress zone and a cladding. The piezoelectric material is filled in the stress region, and the electric controlled piezoelectric material causes deformation in the stress zone, thus exerting stress on the fiber core, resulting in the anisotropy of the dielectric constant of the core material, leading to the generation of stress birefringence. The OAM mode is generated by adjusting the voltage so as to change the stress so that the phase difference of the PI /2 phase occurs through the two in-phase orthogonal mode of the optical fiber. For different orders of modes, applying different voltages, we can obtain OAM tunable vortex rotation. The optical fiber provided by the invention has the advantages of simple structure, flexible operation and low loss, and can be used for vortex light generation, OAM sensing and OAM optical fiber communication systems.

【技術實現步驟摘要】
一種用于軌道角動量產生及調諧的渦旋光纖
本專利技術涉及到特種光纖、光纖通信領域，具體地，本專利技術涉及一種用于軌道角動量產生及調諧的渦旋光纖。
技術介紹
隨著移動通信業務的迅猛發展，云計算、物聯網、大數據等互聯網技術的日漸興起，當前高度信息化的社會對于通信容量的需求與日俱增。為提高信息傳輸容量與速度，波分復用(WDM)、偏振復用(PDM)和空分復用(SDM)等技術被廣泛應用于單模光纖通信系統中，并使其傳輸容量接近于香農極限。但是，由于缺乏突破性新技術，要進一步提升信息傳輸容量非常困難。OAM(OrbitalAngularMomentum)光束，也稱為渦旋光束，具有螺旋型相位分布和環狀空心強度分布，其光場分布中含有相位因子exp(ilθ)，光束中每個光子攜帶lh的軌道角動量，l稱為拓撲荷數，h為普朗克常數。理論上l是無窮的，且不同l的OAM模式是正交的。它在傳統平面波的頻率、幅度、相位以及偏振態四個維度的基礎上增加了一個新的維度--軌道角動量。因此，將OAM光束用于光通信，利用不同l值代表不同編碼狀態或不同信息通道，能夠進一步提高頻譜效率和信道容量。生成OAM光束的傳統方法是利用螺旋相位板、計算全息光柵和空間光調制器等相位元件，然而這些元件的損傷閾值較低、損耗過大，且成本較高。而基于光纖的OAM光生成器則在遠程交互和制作緊密型OAM光器件上更具優勢。2011年，YanYan等人利用4個微光纖各自輸入具有特定相位、偏振態和橢圓率的厄米高斯光束，并均耦合到居于中心的環形光纖中，再通過模式疊加，在環形光纖中產生了OAM光束[Opt.Lett.2011,36,4269–4271]。該OAM光束產生方法對4個外部微光纖的輸入光有特定的要求，需要做特別的預處理。因此，需要額外的輔助光器件，最終造成系統功能的實現非常復雜，不便于推廣應用。隨后，YanYan等人又設計一種緊湊型OAM耦合器，當方形芯中輸入圓偏振模時，最終耦合到環形光纖中生成OAM模[Opt.Lett.2012,37,3294–3296]。該方法中使用的高折射率肖特玻璃和方形芯使其不適合與傳統光纖直接拼接。另外，當結構固定時，上述光纖只能激發一種OAM模式，不利于高容量和集成的全光纖OAM通信系統的開發。因此，目前迫切需要一種產生可調諧OAM的渦旋光纖，以推進OAM光纖通信系統的產業化發展。
技術實現思路
針對現有技術中存在的問題，本專利技術的目的在于提供一種用于OAM產生及調諧的渦旋光纖，該渦旋光纖可以產生一系列攜帶不同拓撲荷的OAM光束，這在OAM光纖通信系統中將具有非常重要的應用價值。一種用于軌道角動量產生及調諧的渦旋光纖，其包括包層、纖芯、對稱分布在纖芯兩側的一對應力區；所述一對應力區位于包層中，所述纖芯位于包層的中心；所述包層的直徑為60～200μm；所述纖芯直徑與包層直徑的比值為0.05～0.2；所述應力區為扇環形。進一步地，所述應力區內表面直徑與包層直徑的比值為0.1～0.4。進一步地，所述應力區外表面的直徑與包層直徑的比值為0.6～0.8。進一步地，所述應力區扇環形角為20～160°；所述纖芯與包層的相對折射率差為0.01～0.3。進一步地，所述應力區的內表面和外表面均沉積有金屬薄膜層，且應力區中間填充壓電材料。進一步地，所述壓電材料是壓電晶體、壓電陶瓷、壓電聚合物或壓電復合材料。進一步地，所述纖芯和包層材料是石英玻璃、多組分玻璃或高分子聚合物。本專利技術提供的一種用于OAM產生及調諧的渦旋光纖，可以通過改進現有的光纖制備技術(例如氣相沉積法、拉伸法等)獲得。通過氣相沉積法制備相應光纖的預制棒，然后對預制棒進行加熱拉伸制得所需的渦旋光纖。預制棒中，包層內預留一對軸對稱“扇環形”空氣孔。光纖中空氣孔的內表面和外表面均沉積一層金屬薄膜，空氣孔中間填充壓電材料。壓電材料可以是壓電晶體(如石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等)、壓電陶瓷(如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等)、壓電聚合物(如聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜)以及壓電復合材料(壓電陶瓷和聚合物的兩相復合材料)。纖芯和包層材料可以是石英玻璃、多組分玻璃(如磷酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃等)以及高分子聚合物等(如丙烯酸樹脂等)。與現有技術相比，本專利技術具有如下優點和技術效果：1、本專利技術提出的光纖結構簡單，與現有的光纖制備技術(例如氣相沉積法、拉伸法等)兼容，便于迅速大規模生產。2、本專利技術提出的光纖的雙折射由施加在應力區的電壓控制，調控電壓最終可實現對生成渦旋光束OAM的調諧。3、本專利技術提出的光纖空間柔韌性極好，因此可以選擇在任意合適的位置和方向上輸出渦旋光束，便于在微粒操控、光纖通信和光纖傳感上的應用。附圖說明圖1為本專利技術實施例中渦旋光纖端面的結構示意圖；圖2為圖1的渦旋光纖中導模相位差與應力區施加電壓的關系圖；圖中：1-光纖纖芯，2-應力區，3-金屬涂層，4-包層。具體實施方式下面結合實施例及附圖對本專利技術的實施作進一步詳細的描述，但本專利技術的實施和保護不限于此，需指出的是，以下若有未特別詳細說明之處，均是本領域技術人員可參照現有技術實現或理解的。如圖1所示，本實例的一種用于OAM產生及調諧的渦旋光纖，包括纖芯1、應力區2、金屬涂層3和包層4，纖芯1位于包層4的中心，兩個應力區2對稱分布在纖芯1兩側且位于包層4中，金屬涂層3位于應力區2內外兩側。包層4的直徑為60～200μm，纖芯1直徑與包層4直徑的比值為0.05～0.2，應力區2內表面直徑與包層4直徑的比值為0.1～0.4，應力區2外表面直徑與包層4直徑的比值為0.6～0.8，應力區2扇環形角為20～160°，纖芯1與包層4的相對折射率差根據工作波長和具體應用條件設定，范圍在0.01～0.3，其中相對折射率差為n1為纖芯1折射率，n2為包層4折射率。應力區2中填充的壓電材料的極化方向與光纖端面徑向一致，在金屬涂層3的內外兩側施加一定電勢差時，實施例中的渦旋光纖產生徑向壓應力。從而引起纖芯1材料介電常數各向異性變化，導致應力雙折射的產生。光纖中的導模出現本征值分裂。適當調整電壓以改變應力，根據實際應用選取光纖長度，會使通過該光纖的兩同相正交模式(LPlma和LPlmb)出現±π/2相位差，從而實現渦旋光的產生：LPlma±i×LPlmb＝OAM±l。圖2為該渦旋光纖中導模相位差與應力區施加電壓的關系圖。對于不同階數的模式，施加不同電壓，即可獲得可調諧OAM的渦旋光。本專利技術的具體實施例如下：按照上述實施方式，一種用于OAM產生及調諧的渦旋光纖，光纖端面如圖1所示，包層的直徑為125μm，纖芯直徑與包層直徑的比值為0.1，應力區內表面直徑與包層直徑的比值為0.2，應力區外表面直徑與包層直徑的比值為0.75，應力區扇環形角為90°；纖芯與包層的相對折射率差為0.01。包層為純石英玻璃，纖芯可為鍺氟共摻雜的石英玻璃等，應力區為PZT-5H材料。該光纖支持LP01、LP11、LP21、LP02和LP31五組模式的傳輸。在應力區施加電壓后，原本簡并的LP模式組發生模式分裂。對于10cm長的渦旋光纖，當施加電壓為85V、82V和76V時，LP11、LP21和LP31模式組分別產生π/2相位差，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于軌道角動量產生及調諧的渦旋光纖，其特征在于包括包層、纖芯、對稱分布在纖芯兩側的一對應力區；所述一對應力區位于包層中，所述纖芯位于包層的中心；所述包層的直徑為60~200μm；所述纖芯直徑與包層直徑的比值為0.05~0.2；所述應力區為扇環形。

【技術特征摘要】
1.一種用于軌道角動量產生及調諧的渦旋光纖，其特征在于包括包層、纖芯、對稱分布在纖芯兩側的一對應力區；所述一對應力區位于包層中，所述纖芯位于包層的中心；所述包層的直徑為60~200μm；所述纖芯直徑與包層直徑的比值為0.05~0.2；所述應力區為扇環形。2.根據權利要求1所述的一種用于軌道角動量產生及調諧的渦旋光纖，其特征在于所述應力區內表面直徑與包層直徑的比值為0.1~0.4。3.根據權利要求1所述的一種用于軌道角動量產生及調諧的渦旋光纖，其特征在于所述應力區外表面的直徑與包層直徑的比值為0.6~0.8。4.根據權利要求1所述的一種用...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊中民，衡小波，甘久林，張智深，錢奇，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44