本发明属于特种激光光纤，特别是涉及一种结构复合的超宽带高增益涡旋光纤及其制备方法。
背景技术：
1、光纤是当今社会信息传输的重要介质。近年来，随着人工智能、云计算、物联网等产业的飞速发展，数据流量呈现井喷式增长，于是对通信容量提出了更高的要求。
2、宽带有源光纤可有效拓宽信号传输波段，是解决当前通信容量不足的一种可行方案。传统的宽带有源光纤一般通过以下方式实现：一是通过多种稀土离子共掺，例如在1 μm波段的nd/yb离子共掺光纤（文献《broadband 1.0 µm emission in nd3+/yb3+co-dopedphosphate glasses and fibers for photonic applications》），1.5 μm波段的er/tm离子共掺光纤（文献《broadband emission in er3+-tm3+codoped tellurite fibre》），2 μm波段的tm/ho离子共掺宽带光纤（文献《broadband high-gain tm3+/ho3+co-dopedgermanate glass multimaterial fiber for fiber lasers above 2 µm》）；二是通过过渡金属离子或重金属离子掺杂，例如bi离子掺杂宽带有源光纤（cn105467512a）。然而对于多种稀土离子共掺的方式，当稀土离子掺杂浓度达到一定程度时，不同稀土离子之间的距离小于临界距离，并会发生非必要的能量传递过程，这使得共掺型宽带光纤的稀土掺杂浓度通常较低，增益系数较低。对于过渡金属离子或重金属离子掺杂光纤，由于其离子价态难以控制，例如bi离子通常为+1，+2，+5价共存，最终导致光纤稳定性较差。如何在一根光纤中使多种稀土离子高效地发光且不互相影响，从而实现多种稀土的增益波段互相补偿是实现宽带高增益光纤亟待解决的问题。
3、进一步，基于传统的光通信系统传输技术，如时分复用、波分复用和数字相干技术，单波长传输速率已达到100 tbit/s，这已经逼近了理论香农极限。为进一步拓展通信容量，光纤通信的空分复用技术成为研究热点。空分复用技术主要包括芯分复用和模分复用，而轨道角动量复用技术是模分复用技术中重要的一部分。轨道角动量(orbital angularmomentum, oam)光束是指携带有轨道角动量的光束，又被称为涡旋光束。轨道角动量光束的显著性质为其螺旋前进的相位，光纤中的oam模式是通过四种同阶数的矢量本征模式的奇偶模式线性叠加而成的。当前涡旋光纤的研究多集中在涡旋光的产生与稳定传输领域；例如，申请号为cn109100827a的专利提出了一种用于涡旋光束传输和保持的光纤，申请号为cn116444142a的专利发明了一种涡旋增益光纤及其制备方法。缺少对涡旋光纤增益范围拓宽的研究，因此设计特定的涡旋光纤结构，并从光纤结构的角度拓宽涡旋光纤的增益范围具有一定理论和实际意义。
4、综上所述，设计并制备一种具有超宽带高增益特性，并能稳定传输oam模式的结构复合光纤具有较为理想的应用前景，是进一步增大通信容量的可行方式。
技术实现思路
1、为解决现有涡旋增益光纤增益带宽较窄的问题，本发明提供一种结构复合的超宽带高增益涡旋光纤及其制备方法。
2、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
3、一种结构复合的超宽带高增益涡旋光纤，包括由内向外顺次包裹的无源纤芯、有源内环芯、有源外环芯和包层；
4、所述有源内环芯和有源外环芯均为掺有一种或多种稀土发光离子的激光材料，且有源内环芯和有源外环芯掺杂的稀土发光离子中至少有一种不同。
5、进一步地，有源内环芯和有源外环芯上的一部分材料可以相互替代；优选的，有源内环芯和有源外环芯对应的内环和外环均有二分之一的区域相互代替，且内外环相互接触的地方对应的材料不相同。
6、进一步地， 所述激光材料包括玻璃、晶体、陶瓷或塑料材料；所述稀土发光离子包括tm、ho、er、nd、yb、sm或eu；所述激光材料中的稀土发光离子掺杂浓度≥1mol%。
7、进一步地，超宽带高增益涡旋光纤的发光波段由有源内环芯和有源外环芯决定，有源内环芯和有源外环芯的发光波段即为所述光纤的发光波段；
8、不同的有源内环芯或有源外环芯的发光波段对应不同的稀土发光离子组合方式，具体如下：
9、蓝光波段为tb-tm，红光波段为eu-sm，1 μm波段为nd-yb，1.5 μm波段为er-tm，2 μm波段为tm-ho，3 μm波段为er-ho或er-dy；
10、掺有一种或多种稀土发光离子的激光材料在对应掺杂的稀土离子发光波段的透过率≥80%。
11、进一步地，对于同一种所述激光材料，其中的稀土发光离子为均匀掺杂；
12、在有源内环芯或有源外环芯中掺有不同稀土发光离子时，加入敏化剂以简化泵浦方式，例如，对于3 μm波段的er-ho组合方式，可加入yb离子作为敏化剂，简化泵浦方式。
13、进一步地，所述无源纤芯和包层的材料包括未掺杂的玻璃、晶体、陶瓷或塑料材料。
14、进一步地，所述无源纤芯采用有源内环芯包裹形成的空心孔代替（空气纤芯）。
15、进一步地，所述包层的结构包括均匀阶跃结构、光子晶体结构或布拉格结构。
16、进一步地，所述有源内环芯和有源外环芯的材料折射率，与所述无源纤芯和包层的材料折射率相比，差值均大于2%。
17、本发明提供的一种结构复合的超宽带高增益涡旋光纤的制备方法，包括如下步骤：
18、s1、有源与无源基质材料的制备：通过高温熔融法或cvd法分别制备无源纤芯、有源内环芯、有源外环芯和包层的基质材料；
19、s2、光纤预制棒的加工：将s1步骤中所制备的基质材料加工成设定的几何尺寸，并抛光至光学精度，分别得到无源纤芯棒、有源内环芯管、有源外环芯管和包层管；
20、s3、一次拉丝：将无源纤芯棒、有源内环芯管和有源外环芯管从内到外嵌套组装并拉制，得到具有环形结构的复合纤芯棒；
21、s4、二次拉丝：将所得复合纤芯棒与包层管嵌套组合进行拉丝，通过控制拉丝速度和送料速度控制光纤丝径，最终获得结构复合的宽带高增益涡旋光纤。
22、进一步地，步骤s2中，光纤预制棒制备方法包括管棒法、化学气相沉积法、3d打印、压力辅助熔体填充法、挤压法或吮吸法。
23、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
24、（1）本发明所提供结构复合的宽带高增益涡旋光纤通过稀土分区域掺杂，可使不同稀土发光离子在同一根光纤内高效地发光，避免非必要的能量传递过程，提高光纤效率。
25、（2）本发明提供的结构复合的宽带高增益涡旋光纤具有增益带宽大、单位长度增益系数高、oam模式容量高等特点，可应用于光纤放大器中，增加通信容量。
26、（3）本发明可应用于涡旋光纤放大器中，可有效拓宽增益带宽，提高单位距离增益系数；还可应用于涡旋光光纤激光器，输出涡旋激光信号。