[实用新型]微结构锯齿形空芯光纤

说明书

技术领域

本实用新型属于光学领域，涉及一种微结构锯齿形空芯光纤，尤其涉及一种用于高效产生和高效传输多级涡旋光束的微结构锯齿形空芯光纤。

背景技术

具有特殊螺旋波前结构和光子轨道角动量的涡旋光束，在新一代光通信技术及量子信息传输技术领域的应用前景十分广阔。为了适应OAM光通信系统应用的要求，目前已经有人提出了基于无源光纤器件产生涡旋光束的方法。

南加州大学的Willner教授自2011年以来，先后设计了两种光纤耦合器来实现高斯束到OAM光束的转换.利用四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，在环形光纤中实现了OAM光束的产生。这样的OAM产生方法对外部四个微光纤的输入光有特定的要求，需要做特别的预处理，需要多个额外的辅助光器件，最终造成系统功能的实现非常复杂，不便于推广应用。

随后，该小组又设计了改进型OAM模式耦合器。该OAM模式耦合器是将前述耦合器的四个外部微光纤的输入功能整体简化，等效成为一个方芯光纤，并将该光纤置于环形光纤的内部。当方形微光纤芯中输入圆偏振模时，最终耦合到环形光纤中生成的模式为OAM。已经发现该耦合器生成了拓扑荷数从±1到±9的OAM模式。并且通过改变方形光纤中四个圆角的曲率半径，其模式纯度可以调节至96.4％以上。这种改进型的OAM光纤耦合器，在结构上只需要一个输入光纤，减小了加工复杂度，并且只要求输入一束圆偏振光就可以产生OAM模式，降低了对输入光束相位和偏振方向等方面的要求。这类OAM光纤耦合器在光纤上实现了OAM光束的产生，不仅突破了传统空间OAM光束产生装置的复杂与庞大等缺陷，同时也有利于OAM光纤通信技术的推广和发展。

然而，这两种OAM光纤耦合器存在一个共同的缺点就是波导色散较大。色散大将使高阶OAM模对波长的变化很敏感，导致高级OAM模式不稳定。因此，目前难以产生纯度好的高阶OAM模式。

Willner教授领导的研究组为解决上述问题，在2012年又设计了一款基于光子晶体光纤(PCF)的新型OAM模式转换器。利用特殊微结构的PCF对输入的厄米高斯光束进行模式变换，得到了一系列涡旋本征模。该PCF选用As2S3作为PCF的背景材料，其与空气的折射率之比为2.44:1。这种较大折射率差可以减少各本征模式之间的简并，避免了对已生成的OAM模的干扰，从而保证OAM模式的纯度。该PCF在1475-1997nm波长范围内，色散小于60ps/nm/km，甚至在传输波长达2000nm时，损耗仍低于0.03dB/m。色散与损耗的减小意味着PCF在产生高拓扑荷的OAM光束方面比普通光纤更胜一筹。但是As2S3材料不仅有毒，而且价格昂贵，制造光纤的成本高。

德国的G.K.L.Wong等人最近在SCIENCE杂志上又报道了一种螺旋型PCF模式转换器。该器件可以产生多级OAM模式。该器件除了具备上述PCF器件所具有的优点之外，螺旋PCF中产生的OAM拓扑荷还随着光纤结构参数(如光纤长度、光纤孔径、孔间距、扭曲率等)的变化而发生改变，因而具有了产生多级OAM模式的特性。但是其螺旋型微结构太复杂，不适合规模化制造。

与上述的光纤转换器件相比，光波导器件具有性能稳定、体积小、成本低、模式控制较为便捷和易于集成等优点，因而采用平面光波导器件实现OAM模式的产生也极具发展潜力。英国布里斯托大学的研究小组2012年在《SCIENCE》上也报道了硅集成OAM涡旋光束发射器的研究成果，该发射器最小半径为3.9μm。在该硅基波导中传输的厄米高斯光，首先耦合到内壁附有周期锯齿状突起的环形波导中，在环形波导内产生回音壁模式。由于锯齿的存在，从锯齿处出射的光束在环形波导外部发生干涉，进而使得光波矢发生变化，最终在锯齿环波导上方发射出多级OAM涡旋光。该涡旋光束发射器具有相位敏感度低、直接产生多拓扑荷的涡旋光束的特点，且该波导器件体积小、容易实现规模集成与级联。但是，这种器件的最大缺点是输入的高斯光束的利用率很低，转换效率只有3-13％左右，如此低的转化率对于实际应用是不现实的。

同时，我国有关OAM光通信的研究也取得了可喜的进步。华中科技大学、中山大学、清华大学、北京理工大学、浙江大学，哈尔滨理工大学，以及中南民族大学等单位在OAM信号的大气传输和OAM光产生器件方面都做出了创新性工作。但是国内的研究，大多都集中于理论研究工作方面，关于OAM光纤产生器件的研究非常缺乏。

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