[发明专利]非对称双折射涡旋光纤及其制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种光纤及其制备技术，具体涉及一种非对称双折射涡旋光纤及其制备方法，属于光纤技术领域。

(二)背景技术

涡旋光束的一个显著特征是具有轨道角动量(Physical Review A，1992，45(11)：8185-8189)，因此近年来被广泛研究，并在通信、光镊、原子操纵和显微技术中得到了极大应用。生成涡旋光束的最常见方法是使用空间光调制器(Optics Express，2008，16(21)：16984-16992)，然而空间光调制器一般体积庞大，价格昂贵，并且需要在自由空间中实现光耦合，这样就带来许多不便。

而基于光纤的涡旋光生成器则在远程交互和系统小型化上更具优势。研究者们使用声学长周期光栅(Physical Review Letters，2006，96(4)：43604)或者利用在多模光纤中的诱导压力(Applied Optics，1998，37(3)：469-472)实现了涡旋光传输模式。然而在光纤中模式耦合会破坏轨道角动量模式，从而导致多路干涉。在绝大多数多模光纤中，TE/TM模式和需要的HE₂₁模式是共存的，这样它们经过模式耦合会在输出端生成线性偏振模式(LP模式)，LP模式并不是光纤真正的本征模式，它也不能携带轨道角动量。因此，文献(Optics Letters，2012，37(13)：2451-2453)报道了利用微弯光栅来消弱高阶LP₁₁模式的生成，进而把输入模式转化为所需要的HE₂₁模式，最终生成高纯度的涡旋光束。

理想的标准单模光纤具有良好的几何圆对称性，因而所传输的基模HE₁₁是正交模式的二重简并模态。然而在实际光纤中，由于缺陷的存在，这种二重简并被破坏，从而引起模态双折射，为了在标准单模光纤中维持这种模式偏振，人们设计了保偏光纤。保偏光纤使和模式的有效折射率不同，两正交模的传播常数β_x与β_y差别增大，两模式耦合几率减小，因此如果传输光在光纤一个光轴平行的方向上被线性偏振化，那么光将一直保持这种偏振态在光纤中传输。

美国专利(US20080101754)和欧洲专利(EP1705503B1)提出了一种纤芯折射率仅随方位角变化的梯度折射率光纤，这种光纤可看成是纵向伸长的空间相位板，利用该光纤即可生成涡旋光束。虽然该涡旋光束生成器结构极为简单，但是制备这种光纤却非常困难，因此本发明在保偏光纤技术基础上，提出了一种新型非对称双折射涡旋光纤，这种涡旋光纤制备比较容易，可产生类涡旋光束。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可生成涡旋光传输模式的非对称双折射涡旋光纤及其制备方法。

本发明是这样实现的：

涡旋光束的一个显著特征是具有轨道角动量，为了得到轨道角动量，光纤必须携带更高阶模式，例如，相移为±π/2的两个HE₂₁模式的线性组合即可实现轨道角动量模式。由于本发明的非对称双折射涡旋光纤存在单螺旋或双螺旋应力区，并且双螺旋应力区的两个预应力棒中掺杂的材料不同，因此这种应力区的不对称分布或应力区材料的不同，就导致了在纤芯中的不对称应力双折射分布，并且该分布在光纤纵向呈螺旋状，因而当光波输入到该光纤后，会形成径向相位差，从而使其中传输的光场获得轨道角动量，产生涡旋相位传输，实现类涡旋光传输模式。

本发明的非对称双折射涡旋光纤与保偏光纤的不同在于，在本发明中，由于应力区的不对称分布或应力区材料的不同，不会出现保偏光纤的线性保偏特性，而是随着螺旋应力区的旋转，纤芯中传导光波的偏振态也随之旋转，出现涡旋光传输模式。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、非对称双折射涡旋光纤的制备简单，可直接由具有单螺旋或双螺旋应力区的光纤预制棒旋转拉制而成。

2、非对称双折射涡旋光纤的折射率螺旋分布函数和应力区掺杂材料在制备过程中是可控的，最终可实现对生成类涡旋光束特征的控制。

3、非对称双折射涡旋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类涡旋光束，便于在微粒操控和传感上的应用。

(四)附图说明

图1是具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤示意图；

图2是具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的横截面示意图；

图3是具有单螺旋应力区的非对称双折射涡旋光纤的应力双折射(a)三维和(b)二维示意图；