一种用于轨道角动量产生及调谐的涡旋光纤的制作方法

本发明涉及到特种光纤、光纤通信领域，具体地，本发明涉及一种用于轨道角动量产生及调谐的涡旋光纤。

背景技术：

随着移动通信业务的迅猛发展，云计算、物联网、大数据等互联网技术的日渐兴起，当前高度信息化的社会对于通信容量的需求与日俱增。为提高信息传输容量与速度，波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)和空分复用(SDM)等技术被广泛应用于单模光纤通信系统中，并使其传输容量接近于香农极限。但是，由于缺乏突破性新技术，要进一步提升信息传输容量非常困难。

OAM(Orbital Angular Momentum)光束，也称为涡旋光束，具有螺旋型相位分布和环状空心强度分布，其光场分布中含有相位因子exp(ilθ)，光束中每个光子携带lh的轨道角动量，l称为拓扑荷数，h为普朗克常数。理论上l是无穷的，且不同l的OAM模式是正交的。它在传统平面波的频率、幅度、相位以及偏振态四个维度的基础上增加了一个新的维度--轨道角动量。因此，将OAM光束用于光通信，利用不同l值代表不同编码状态或不同信息通道，能够进一步提高频谱效率和信道容量。

生成OAM光束的传统方法是利用螺旋相位板、计算全息光栅和空间光调制器等相位元件，然而这些元件的损伤阈值较低、损耗过大，且成本较高。而基于光纤的OAM光生成器则在远程交互和制作紧密型OAM光器件上更具优势。2011年，Yan Yan等人利用4个微光纤各自输入具有特定相位、偏振态和椭圆率的厄米高斯光束，并均耦合到居于中心的环形光纤中，再通过模式叠加，在环形光纤中产生了OAM光束[Opt.Lett.2011,36,4269–4271]。该OAM光束产生方法对4个外部微光纤的输入光有特定的要求，需要做特别的预处理。因此，需要额外的辅助光器件，最终造成系统功能的实现非常复杂，不便于推广应用。随后，Yan Yan等人又设计一种紧凑型OAM耦合器，当方形芯中输入圆偏振模时，最终耦合到环形光纤中生成OAM模[Opt.Lett.2012,37,3294–3296]。该方法中使用的高折射率肖特玻璃和方形芯使其不适合与传统光纤直接拼接。另外，当结构固定时，上述光纤只能激发一种OAM模式，不利于高容量和集成的全光纤OAM通信系统的开发。因此，目前迫切需要一种产生可调谐OAM的涡旋光纤，以推进OAM光纤通信系统的产业化发展。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于OAM产生及调谐的涡旋光纤，该涡旋光纤可以产生一系列携带不同拓扑荷的OAM光束，这在OAM光纤通信系统中将具有非常重要的应用价值。

一种用于轨道角动量产生及调谐的涡旋光纤，其包括包层、纤芯、对称分布在纤芯两侧的一对应力区；所述一对应力区位于包层中，所述纤芯位于包层的中心；所述包层的直径为60～200μm；所述纤芯直径与包层直径的比值为0.05～0.2；所述应力区为扇环形。

进一步地，所述应力区内表面直径与包层直径的比值为0.1～0.4。

进一步地，所述应力区外表面的直径与包层直径的比值为0.6～0.8。

进一步地，所述应力区扇环形角为20～160°；所述纤芯与包层的相对折射率差为0.01～0.3。

进一步地，所述应力区的内表面和外表面均沉积有金属薄膜层，且应力区中间填充压电材料。

进一步地，所述压电材料是压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物或压电复合材料。

进一步地，所述纤芯和包层材料是石英玻璃、多组分玻璃或高分子聚合物。

本发明提供的一种用于OAM产生及调谐的涡旋光纤，可以通过改进现有的光纤制备技术(例如气相沉积法、拉伸法等)获得。通过气相沉积法制备相应光纤的预制棒，然后对预制棒进行加热拉伸制得所需的涡旋光纤。预制棒中，包层内预留一对轴对称“扇环形”空气孔。光纤中空气孔的内表面和外表面均沉积一层金属薄膜，空气孔中间填充压电材料。压电材料可以是压电晶体(如石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等)、压电陶瓷(如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等)、压电聚合物(如聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜)以及压电复合材料(压电陶瓷和聚合物的两相复合材料)。纤芯和包层材料可以是石英玻璃、多组分玻璃(如磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃等)以及高分子聚合物等(如丙烯酸树脂等)。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1、本发明提出的光纤结构简单，与现有的光纤制备技术(例如气相沉积法、拉伸法等)兼容，便于迅速大规模生产。

2、本发明提出的光纤的双折射由施加在应力区的电压控制，调控电压最终可实现对生成涡旋光束OAM的调谐。

3、本发明提出的光纤空间柔韧性极好，因此可以选择在任意合适的位置和方向上输出涡旋光束，便于在微粒操控、光纤通信和光纤传感上的应用。

附图说明

图1为本发明实施例中涡旋光纤端面的结构示意图；

图2为图1的涡旋光纤中导模相位差与应力区施加电压的关系图；

图中：1-光纤纤芯，2-应力区，3-金属涂层，4-包层。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的实施作进一步详细的描述，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

如图1所示，本实例的一种用于OAM产生及调谐的涡旋光纤，包括纤芯1、应力区2、金属涂层3和包层4，纤芯1位于包层4的中心，两个应力区2对称分布在纤芯1两侧且位于包层4中，金属涂层3位于应力区2内外两侧。包层4的直径为60～200μm，纤芯1直径与包层4直径的比值为0.05～0.2，应力区2内表面直径与包层4直径的比值为0.1～0.4，应力区2外表面直径与包层4直径的比值为0.6～0.8，应力区2扇环形角为20～160°，纤芯1与包层4的相对折射率差根据工作波长和具体应用条件设定，范围在0.01～0.3，其中相对折射率差为n₁为纤芯1折射率，n₂为包层4折射率。

应力区2中填充的压电材料的极化方向与光纤端面径向一致，在金属涂层3的内外两侧施加一定电势差时，实施例中的涡旋光纤产生径向压应力。从而引起纤芯1材料介电常数各向异性变化，导致应力双折射的产生。光纤中的导模出现本征值分裂。适当调整电压以改变应力，根据实际应用选取光纤长度，会使通过该光纤的两同相正交模式(LP_lma和LP_lmb)出现±π/2相位差，从而实现涡旋光的产生：LP_lma±i×LP_lmb＝OAM_±l。图2为该涡旋光纤中导模相位差与应力区施加电压的关系图。对于不同阶数的模式，施加不同电压，即可获得可调谐OAM的涡旋光。

本发明的具体实施例如下：

按照上述实施方式，一种用于OAM产生及调谐的涡旋光纤，光纤端面如图1所示，包层的直径为125μm，纤芯直径与包层直径的比值为0.1，应力区内表面直径与包层直径的比值为0.2，应力区外表面直径与包层直径的比值为0.75，应力区扇环形角为90°；纤芯与包层的相对折射率差为0.01。包层为纯石英玻璃，纤芯可为锗氟共掺杂的石英玻璃等，应力区为PZT-5H材料。该光纤支持LP01、LP11、LP21、LP02和LP31五组模式的传输。在应力区施加电压后，原本简并的LP模式组发生模式分裂。对于10cm长的涡旋光纤，当施加电压为85V、82V和76V时，LP11、LP21和LP31模式组分别产生π/2相位差，依次产生l＝1、2和3的涡旋光；当施加电压为256V、247V和264V时LP11、LP21和LP31模式组分别产生-π/2相位差，依次产生l＝-1、-2和-3的涡旋光。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。