CN104062704B - 用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤 - Google Patents
用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤 Download PDFInfo
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Abstract
本发明将提供一种全新的结构，使用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤不再需要高达4种不同折射率的材料制成圆套环的结构，降低了光纤的制造成本及工艺难度；同时，该用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤在长期使用过程中折射率轮廓不变，有序度、周期性得到有效的控制。该用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，光纤由内到外依次包括内纤芯、内包层、环形外芯、外包层；内纤芯、内包层和外包层内均分布有多个微孔；各层的折射率应满足：1.510±20。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡旋光纤，具体涉及一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，该光纤能够满足涡旋光束高品质传输需求以及转换高斯光束为涡旋光束的转换需求。
背景技术
高清电视、TB级存储设备、千万像素数码相机、大容量智能手机以及便携式多媒体播放器的大量涌现标志着超大数据时代已经到来。这对现有的信息传输技术提出了挑战：更高的传输速率，更大的传输容量，更低的传输成本。随着网络信息传输量的与日俱增，光纤网络通信技术迅猛发展，为提高信息传输容量与速度，不断推出新的解决方案，例如波分复用技术，时分复用技术，极化复用技术，空分复用技术。时分复用技术大幅度地提高了单信道的传输速率；波分复用大幅度地提高了光纤带宽的利用率；极化复用技术大幅度地提高了光纤色散冗余极限问题；而空分复用技术仅仅是解决因光缆尺寸太大导致的管道资源紧缺问题。这些以现有的石英单模光纤为背景技术发展起来的多路技术，需要密集的信号处理技术与之配合，导致光纤网络系统成本高昂。最近十年，由于缺乏突破性新技术，光纤网络传输速率的年增长率只有20％左右，已经远低于市场对传输容量年增长速率大于40％需求。专家预测：到2020年光纤网络容量将出现饱和，互联网所产生的数据流量将超过光纤网络信息传输容量。
现有光纤网络传输容量已经接近香农极限，能否以基于新原理的全新网络技术来扩张通信带宽和速度，并保证网络信息的安全性、保密性，这是对信息科学领域的科学家和新技术开拓者提出的挑战。
美国波士顿大学的拉马钱德兰(S.Ramachandran)教授与多国相关领域专家合作，历时五年，终于在2013年6月27日，在《nature》上报道了一个里程碑式的成果：把信息以光的轨道角动量的形式进行编码，在特殊设计的涡旋光纤中已经传输超过了1公里的距离！美国波士顿大学和南加州大学还有以色列的特拉维夫大学联合推出了这种基于涡旋光束的新光纤技术。这种新光纤从传输模式看，属于多模光纤。从结构上看，属于双芯光纤。这种光纤有两个芯区：一个芯是贯穿整个长度的圆芯区，另一个是贯穿整个光纤长度的环形区。端面上圆环直径为8微米，内圆直径4微米。这两个区域的折射率比光纤两个有效包层区要大,而外部环的折射率要比中心圆大。
制造以上种类的双芯涡旋光纤，现有技术是需要四种玻璃材料制作，要求这四种材料具有类似的热学和力学性质，以保证制造光纤的可行性。他们使用的四种玻璃材料为：最内部的小圆区是在1550nm波长处为折射率1.68的SF1玻璃；圆和环之间的包层材料是折射率1.62的SF2玻璃，圆环芯区是折射率为1.8的SF57玻璃，环外围的包层基底材料是折射率为1.64的SF5玻璃。
丹麦OFS-Fitel公司已经制造了长度达1.1公里的涡旋光纤样品，他们正在开展批量化生产涡旋光纤的相关技术研究。南加州大学的Willner教授主要负责研发OAM脉冲的编/解码系统，该系统已经被命名为OAM-模分复用技术(OAM-MDM)。在该系统中，被编码的数据进入4个分离的频道。这四个频道用光的OAM(L＝±1,S＝±1)和OAM(L＝0,S＝±1圆偏振光)来描述。利用1550nm波长的光的不同模式编码，可以400Gbit/s的速度在这种新结构光纤中传输数据达到了1.1km长度。
该涡旋光纤新技术研发合作团队的领军人物拉马钱德兰教授团队还尝试利用现有的涡旋光纤传输新系统，论证了在10种不同波长，复制每一组OAM四模传输，将该系统传输速率进一步提升，达到1.6Tbit/s，相当于每秒传送8张蓝光光碟的速度，这是现代高级数据中心所用光纤速率的15倍。这个技术又被命名为OAM的波分复用(OAM-WDM)。在2013年的OFC/NFOEC会议上联合发表的题为“1.6-Tbit/s Muxing,Transmission and Demuxing through1.1-km of Vortex Fiber Carrying 2OAM Beams Each with 10WavelengthChannels”的论文。充分证明了新一代超高速光纤网络采用涡旋光纤传输技术的可行性。现在丹麦OFS-Fitel光纤制造商最近也在加紧研究研究规模化制造涡旋光纤的技术，为该技术的实用化铺平道路。该项研究现在已经得到了美国国防高级研究项目计划(Defense Advanced Research Project Agency under theInPho program.)的大力支持。
基于光子的轨道角动量状态不同的存储原理进行数据编码技术，解码技术，和利用涡旋光纤的传输技术是涡旋光纤通信技术中的三大关键技术。申请人注意到：国际上报道的涡旋光纤都需要4种不同折射率的材料制成圆套环的结构。这就要求这四种材料具有一致的热拉伸温度，以保证光纤制造成功，而且热力学性质要保持一致，才有可能在长期使用中保持折射率轮廓不变。这对于不同折射率的无机光学材料，或聚合物光学材料都是比较难以匹配的。
发明内容
本发明提供一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，主要解决了背景技术中存在的问题。
本发明的具体技术解决方案如下：
该用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，光纤由内到外依次包括内纤芯、内包层、环形外芯、外包层；内纤芯、内包层和外包层内均分布有多个微孔；各层的折射率应满足：1.510±0.02。
上述纤芯横截面为圆形，纤芯的直径、内包层厚度、环形外芯厚度、外包层厚度之间应满足：1:0.5:2:0.75；纤芯微孔的直径、内包层微孔的直径、外包层微孔的直径之间应满足：1:1.25:1.5。
上述纤芯横截面也可以为正方形，纤芯的对角线距离、内包层厚度、环形外芯厚度、外包层厚度之间应满足：1:0.5:2:0.9；纤芯微孔的直径、内包层微孔的直径、外包层微孔的直径之间应满足：1:1.5:3。
上纤芯由环烯烃聚合物或环烯烃共聚物制备。当光纤用于太赫兹波段时，选用环烯烃聚合物制备。
本发明的优点在于：
本发明将提供一种全新的结构，使用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤不再需要高达4种不同折射率的材料制成圆套环的结构，降低了光纤的制造成本及工艺难度；同时，该用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤在长期使用过程中折射率轮廓不变，有序度、周期性得到有效的控制。
附图说明
图1用于2THz(155μm)的太赫兹波传输的涡旋光纤结构示意图；
图2用于把高斯光束转换成涡旋光束的方内芯涡旋光纤结构示意图。
具体实施方式
本发明提供的技术方案所依据的原理是：
通过采用COP作为涡旋光纤的结构材料，以亚波长多孔纤维结构，来达到高纯度分离不同涡旋束传输的设计要求；以亚波长多孔圆芯设计减低材料损耗，以大孔包层式结构，来达到即调节折射率又降低损耗，增加光纤柔性的设计要求。在此基础上制备出高质量(无杂质、无气泡)、大尺寸(7厘米直径，50厘米长度)的方芯套环芯的涡旋光纤预制棒，圆芯套环芯的涡旋光纤预制棒；掌握两种不同结构的预制棒热成型的最佳工艺条件；以最佳工艺，制备出两种高品质预制棒；用该预制棒拉出可用于构建涡旋光纤传输系统的涡旋光纤样品。
研制的微结构涡旋光纤的各项技术指标和基本性能参数如下：
A.用于太赫兹波(155μm波长)传输的涡旋光纤，内部有3个多孔区分布空气孔达到调节折射率的目的，如图1所示：
微结构涡旋光纤有效直径：1600μm，加上结构保护层共计2000μm；
长度大于100m；
圆内芯直径400μm，微孔直径10μm，有效折射率为1.520；
内包层厚度200μm，微孔直径15μm，有效折射率1.497；
环形外芯的内直径800μm，外直径1000μm，有效折射率最大为1.530；
外包层的厚度为300μm，微孔直径30μm，有效折射率为1.505；
传输损耗≤0.4dB/M，可以保证涡旋光束传输15米以上；
使用温度范围-40～85℃；
B.用于把高斯光束转换成涡旋光束的方内芯涡旋光纤，内部有3个区域分布有空气孔层，用于调节该区域的折射率，使之达到设计的折射率轮廓，如图2所示：
微结构涡旋光纤有效直径：1600μm，加上结构保护层共计2000μm；
长度10m以内；
方芯对角直径400μm，微孔直径20μm，有效折射率为1.41；
内包层厚度200μm，微孔直径25μm，有效折射率1.37；
环形外芯的内直径800μm，外直径880μm，有效折射率最大为1.53；
最外包层区大孔直径30μm，厚度360μm，有效折射率为1.35；
传输损耗≤1dB/M，可以保证太赫兹波传输1-5m；
使用温度范围-40-85℃。
涡旋光纤新技术研究中涉及的关键科学问题有两个：一是解决材料损耗问题，二是消除高斯基模与涡旋模相互间的耦合问题。
针对关键科学问题的解决方案：
第一：涡旋光纤基质材料的选择：设计光纤波导的首要问题是选用在传输波长具有尽可能低损耗的材料，以提高光纤的固有传输效率。为了研制出微结构涡旋光纤样品，拟选择在可见光、红外光、太赫兹波段有高透明性的聚合物环烯烃聚合物(COP)作为基质材料，达到验证所设计的微结构涡旋光纤对于传输和产生涡旋光束的有效性的目的。为降低非固有损耗，我们将设计精密的工艺流程：从预制棒制备到拉丝工艺研究，都采用在超净车间按流水线作业。
虽然有多种聚合物材料在可见区、红外区、太赫兹区的多个波长处，都存在低损耗窗口，我们青睐在中红外、太赫兹波段有最好透明性的COP为聚合物涡旋光纤的基质材料。近年已经有很多研究证明：环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物(COC)比通用的有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有更优良的光学性质。因此，我们采用COP作为涡旋光纤的结构材料，拉制更细径的微结构涡旋光纤当然也可以用于可见光区，或红外中、红外区域，但是在我们实验室目前的实验条件下，研究在太赫兹波段的情况比较方便。我们计划重点研究传输155μm附近的太赫兹涡旋束的产生/传输的光纤样品。
总之，采用低损耗材料可以解决因材料损耗导致的波导传输效率低的问题，采用低吸水材料可以解决因水的吸附导致的因环境湿度变化导致的光纤器件性能不稳定问题。COP有极低的吸水性，这对于制作光纤器件是非常有利的。
第二，为消除模式简并引起的模间耦合，拟采取双芯双包层光纤结构，让不同的涡旋模在不同的轨道传输。对于轨道角动量为0，±1的涡旋光束的传输，关键是解决圆偏振模与OAM模，以及不同OAM模式之间的耦合问题。这就需要设计特殊的波导结构，让不同的模走在不同的轨道。
针对这一问题，S.Ramachandran教授已经通过理论研究提出传输涡旋束需要采用环芯外加圆环芯的双芯光纤结构设计，来克服多种模间的耦合问题。丹麦光纤制造商OFS-Fitel公司的技术人员Poul Kristensen根据理论研究结果，选择了四种不同折射率的材料，已经制备出1.1公里长的涡旋光纤样品。他们也设计了方芯结构的涡旋光纤，用于取代空间光调制器(SLM)，直接使高斯光束在光纤中产生涡旋光束，使基于涡旋光的光纤传输试验系统更加紧凑化。
借鉴已有的理论分析成果和微结构聚合物光纤技术，我们提出采用一种新的波导结构：采用空气微孔和一种材料，达到让光纤具有圆形多孔芯外加圆环芯的全新涡旋光纤结构。这些微孔直径在远低于传输波长的量级(亚波长孔)。已经有理论证明这些微孔的存在，既可以调控折射率，又可以降低材料损耗，增加光纤柔性。
具体研究过程如下：
1]方芯套环结构涡旋光纤、圆芯套环涡旋光纤及预制棒的结构设计：
汲取国外及我们自己拥有的聚合物光纤波导以及微结构光纤理论设计方法经验，结合高分子材料的热力学特性，设计出既保证低损耗、高带宽传输，又要保证制造上、安装使用上的便利性的波导结构与力学结构。
2]制造方芯套环结构涡旋光纤、圆芯套环涡旋光纤预制棒专用模具的结构设计与模具制造：
从金属材料热力学、COP热流变学考虑在热挤出加工时模具受力、模具安装拆卸的便利性出发设计、制造模具。
3]方芯套环结构涡旋光纤、圆芯套环涡旋光纤预制棒热挤出成型工艺研究：
用挤出机挤出预制棒是热力学过程，包括加热软化、在螺杆作用下的塑化、进入模具后的加压、保压定型、预制棒脱模过程；要防止材料在加工中老化变质、防止气泡产生。
4]方芯套环结构涡旋光纤、圆芯套环涡旋光纤制造工艺研究：
预制棒热拉伸成纤维也是热力学过程，包括加热软化、在牵引力作用下的伸长、冷却定型、收丝；要防止预制棒在加热拉伸过程中老化变质、防止微结构塌陷或变形产生。
5]方芯套环结构涡旋光纤、圆芯套环涡旋光纤传输特性的评价：
建立专用的方芯套环结构涡旋光纤、圆芯套环涡旋光纤传输特性测试系统与测试标准，测试不同结构尺寸方芯套环结构涡旋光纤、圆芯套环涡旋光纤的各项技术参数，与设计参数进行对比，不断改进工艺，最终达到预期的方芯套环结构涡旋光纤、圆芯套环涡旋光纤。
为保证设计结构的实现，必须降低非固有损耗，若要克服人为因素，保证原材料纯度在99.999％级，应执行精密的工艺流程：从模具清洗到安装，挤出、脱模都要在干燥、超净的车间按流水线作业进行，保证微结构纤维、管子预制品的高品质。
Claims (7)
1.一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于：所述光纤由内到外依次包括内纤芯、内包层、环形外芯、外包层；所述内纤芯、内包层和外包层内均分布有多个微孔；所述各层的折射率应满足：1.510±0.02。
2.根据权利要求1所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于：所述纤芯横截面为圆形，纤芯的直径、内包层厚度、环形外芯厚度、外包层厚度之间应满足：1:0.5:2:0.75。
3.根据权利要求2所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于：所述纤芯微孔的直径、内包层微孔的直径、外包层微孔的直径之间应满足：1:1.25:1.5。
4.根据权利要求1所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于：所述纤芯横截面为正方形，纤芯的对角线距离、内包层厚度、环形外芯厚度、外包层厚度之间应满足：1:0.5:2:0.9。
5.根据权利要求4所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于：所述纤芯微孔的直径、内包层微孔的直径、外包层微孔的直径之间应满足：1:1.5:3。
6.根据权利要求1至5任一所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于：所述光纤由环烯烃聚合物制备。
7.根据权利要求6所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于：所述光纤用于太赫兹波段时，选用环烯烃聚合物制备。
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