CN106842414B - 一种可传输多个oam模式的光子晶体光纤 - Google Patents

一种可传输多个oam模式的光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，包括采用圆形空气孔的中心纤芯、包覆在中心纤芯上环形高折射率层，及包层一、包层二、包层三、包层四，其中所述包层一由36个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕圆心旋转角度θ1；所述包层二由40个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕圆心旋转角度θ2；所述包层三由45个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕圆心旋转角度θ3；所述包层四由50个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕圆心旋转角度θ4；所述每个包层的基底材料为石英且每层包层的方形空气孔大小相同，以及相邻包层的间距相同，并且每层围绕中心纤芯成圆形对称分布。本发明可支持多达58个OAM模式，可传输多个HE和EH模式，可以大幅度提升光通信容量。

Description

一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，属于光子晶体光纤传感技术领域。
背景技术
光子晶体光纤(PCF)是在现代光纤技术的基础上兴起的一个新研究领域，由于它的包层中二维光子晶体结构可以灵活的设计，使其具有诸多优异的光学特性，如无截止单模传输、可调节的色散、高双折射、大模场面积和高非线性等特性，因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。光子轨道角动量(OAM,Orbital angularmomentum)在理论上具有无限多不同量子态的正交基，所以它可以提供一种新的复用机制。基于光子晶体光纤的OAM传输光纤，支持的OAM模式数多，且模式间串扰小，限制损耗小，色散小，因此将OAM模式复用应用到光通信中，应使光纤中传输的OAM模式数尽可能的多，即可提供更多的复用通道，从而来大幅度提升光通信容量。
光纤中存在的光波模式可分为:HE、EH、TE和TM等4种，HE和EH模式又可分为奇偶模。在光纤中，将相位差为π/2的同阶奇偶模式(HE或EH)线性叠加，即可得到OAM模式。因此，光子晶体光纤中的OAM模式也可表达为光纤中同阶矢量模的奇模和偶模的叠加，具体可表述为：
OAM± ±l,m＝HEeven l+1,m±jHEodd l+1,m (1)
所以研究光子晶体光纤中OAM的传输问题，首要任务是研究光子晶体光纤中可传输的矢量本征模HE和EH模。
基于环形光子晶体的OAM传输光纤具有以下优势:环形的高折射率区不需要的额外的掺杂，结构参数设计灵活，支持的OAM模式数多，且模式间串扰小，限制损耗小，色散小。
在光通信领域中，密集波分复用、正交频分复用、模分复用等复用技术日渐兴起，但是均受限于电磁通信容量资源有限。由于轨道角动量是除光强、频率、偏振外的一个新的自由度，理论上光子轨道角动量可取无限值，将其用于光通信可以大幅提高光通信容量，已成为光通信领域研究的热点。基于光子轨道角动量的自由空间光通信，已经可以实现2.56Tbit/s以上的超高速数据传输，但受大气湍流影响严重，传输距离较短。基于OAM的光纤通信研究还较少，因传统的光纤是不能传输OAM的，研究者们设计出了环光纤可用来传输OAM，最近又有研究者提出了光子晶体光纤可以传输OAM。但传统的六边形光子晶体光纤由于六角对称的结构，传输的OAM模式只有两个，且损耗较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，解决传统的六边形光子晶体光纤由于六角对称的结构，传输的OAM模式只有两个，且损耗较大的问题，将光子晶体光纤的纤芯设计为一圆形空气孔，包层为正方形空气孔且围绕纤芯呈环形对称结构，这种结构使得环形OAM传输区与OAM模式光场的环形形状非常吻合，因此可明显增加传输的OAM模式数。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，包括采用圆形空气孔的中心纤芯、包覆在中心纤芯上的环形高折射率层，及依次包覆在环形高折射率层上的包层一、包层二、包层三、包层四，其中所述包层一由36个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕中心纤芯的圆心旋转角度θ1；所述包层二由40个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕中心纤芯的圆心旋转角度θ2；所述包层三由45个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕中心纤芯的圆心旋转角度θ3；所述包层四由50个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕中心纤芯的圆心旋转角度θ4；所述每个包层的基底材料为石英且每层包层的方形空气孔大小相同，以及相邻包层的间距相同，并且每层包层围绕中心纤芯成圆形对称分布。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述角度θ1、角度θ2、角度θ3、角度θ4依次减小。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述角度θ1为10°。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述角度θ2为9°。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述角度θ3为8°。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述角度θ4为7.2°。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述环形高折射率层为石英材料。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述每个包层内的方形空气孔为正方形空气孔。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明提供的可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，结构基底采用合适的材料可保证环形区域的高折射率，使得个模式的能量集中在环形区域传输，很少泄露至包层，各模式的限制损耗小；通过对该光纤结构的参数进行优化设计，可支持的本征模式包括HEl+1,m,EHl-1,m,TM0,1和TE0,1(l＝2to15,m＝1)，总共14个模式群组，其中每个模式群组包含4个OAM模式，加上两个OAM±l,1(HE2,1)，共同组成了58个OAM模式。在1500-1600波段，HEl+1,m模和EHl-1,m模的有效折射率差大于10-4，保证了HEl+1,m模和EHl-1,m模不会耦合为LP模，而可以通过线性叠加得到OAM模式，从而有效地抑制传输过程中的模间串扰，改善光子晶体光纤中轨道角动量模式的传输性能。
本发明设计的结构不同于传统的环光纤要求掺杂获得高折射率和精准的环形厚度设计，它不需要额外的掺杂来获得高折射率，背景材料只需要选择一高折射率材料即可，而且环形区域大小可灵活设计，工艺容差性高。
本发明的光子晶体光纤，可支持多达58个OAM模式。该结构通过改变传统光子晶体光纤的纤芯和包层结构，可传输多个HE和EH模式。比传统的环光纤在结构设计上更灵活，传输的模式数更多。基于光子轨道角动量每个模式间都是相互正交的，将OAM模式复用应用到光通信中，可以大幅度提升光通信容量。
附图说明
图1(a)为本发明可传输多个OAM模式的光子晶体光纤的结构剖面图，图中有空气纤芯1，环形高折射率区域2，包层一3，包层二4，包层三5，包层四6。
图1(b)为本发明的光纤四分之一结构剖面图，图中标明了该结构的各种参数。
图2(a)为本发明HE模式的最高阶模HE16，1的Ez场强分布。
图2(b)为本发明EH模式的最高阶模EH14，1的Ez场强分布。
图3(a)为本发明∣HEm，1-EHn,1∣(m＝3-9,n＝1-7)模式有效折射率差ΔNeff随波长λ的变化。
图3(b)为本发明∣HEm，1-EHn,1∣(m＝10-16,n＝8-14)模式有效折射率差ΔNeff随波长λ的变化。
图4(a)为本发明HEm，1(m＝2,6,8,10,12)和EHn,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D随波长λ的变化。
图4(b)为本发明HEm，1(m＝2,6,8,10,12)和EHn,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D在波长1.55μm附近的变化。
图5(a)为本发明HEm，1和EHn,1(m,n＝1-5，7)模式有效面积Aeff随波长λ的变化。
图5(b)为本发明HEm，1(m＝8-10,12,14,16)和EHn,1(n＝8-10，12，14)模式有效面积Aeff随波长λ的变化。
图6(a)为本发明HEm，1和EHn,1(m,n＝1-5，7)模式非线性系数γ随波长λ的变化。
图6(b)为本发明HEm，1(m＝8-10,12,14,16)和EHn,1(n＝8-10，12，14)模式非线性系数γ随波长λ的变化。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1(a)和图1(b)所示，本发明提出一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，利用光子晶体光纤结构参数可灵活设计的特性，将光纤结构设计为中心纤芯1，包覆在中心纤芯上的环形高折射率层2，及依次包覆在环形高折射率层2上的包层一3，包层二4，包层三5，包层四6。其中纤芯1为大的圆形空气孔；环形高折射率层2为石英材料；所述包层一3由36个方形空气孔组成，相邻方形空气孔绕中心纤芯1的圆心旋转角度θ1，本实施例中优选角度θ1为10°；所述包层二4由40个方形空气孔组成，相邻方形空气孔绕中心纤芯1的圆心旋转θ2，本实施例中优选角度θ2为9°；所述包层三5由45个方形空气孔组成，相邻方形空气孔绕中心纤芯1的圆心旋转θ3，本实施例中优选角度θ3为8°；所述包层四6由50个方形空气孔组成，相邻方形空气孔绕中心纤芯1的圆心旋转θ4，本实施例中优选角度θ4为7.2°；且每个包层的基底材料为石英，每层包层的方形空气孔大小相同，以及相邻包层的间距相同，且每层围绕中心纤芯成圆形对称分布。
优选地，所述光子晶体光纤中每个包层内的方形空气孔为正方形空气孔。本发明通过对该光纤结构的参数进行优化设计，可支持的本征模式包括HEl+1,m,EHl-1,m,TM0,1和TE0,1(l＝2to15,m＝1)，总共14个模式群组，其中每个模式群组包含4个OAM模式，加上两个OAM±l,1(HE2,1)，共同组成了58个OAM模式，在1500-1600nm波段可支持的OAM模式数均可达58个。
本发明的光纤，结构基底采用合适的材料可保证环形区域的高折射率，使得各模式的能量集中在环形区域传输，很少泄露至包层，各模式的限制损耗小；通过对该光纤结构的参数进行优化设计，可实现不同轨道角动量模式间大于10-4的有效折射率差，从而可以有效地抑制传输过程中的模间串扰，改善光子晶体光纤中轨道角动量模式的传输性能。
本发明的实施例中，给出光子晶体光纤的具体参数为：如图1(b)所示，纤芯直径d0＝12μm,环形区域厚度d＝2μm，包层间距Λ＝1.5μm,方形空气孔边长bsquare＝1μm，θ1＝10°，θ2＝9°，θ3＝8°，θ4＝7.2°，基底材料为石英，折射率n＝1.444，其非线性折射率n2＝2.3×10-20m2·w-1。
本发明结构的光子晶体光纤，在HE模式最高阶模HE16，1的Ez场强分布如图2(a)所示，及在EH模式的最高阶模EH14，1的Ez场强分布如图2(b)所示。本发明结构光子晶体光纤在低阶∣HEm，1-EHn,1∣(m＝3-9,n＝1-7)模式有效折射率差ΔNeff随波长λ的变化；如图3(a)所示，且在高阶∣HEm，1-EHn,1∣(m＝10-16,n＝8-14)模式有效折射率差ΔNeff随波长λ的变化如图3(b)所示。
并且，如图4(a)所示，给出本发明在HEm，1(m＝2,6,8,10,12)和EHn,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D随波长λ的变化；如图4(b)所示，给出本发明在HEm，1(m＝2,6,8,10,12)和EHn,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D在波长1.55μm附近的变化。
以及，如图5(a)所示，给出本发明在低阶HEm，1、EHn,1(m,n＝1-5，7)模式有效面积Aeff随波长λ的变化；且如图5(b)所示，给出本发明高阶HEm，1(m＝8-10,12,14,16)、EHn,1(n＝8-10，12，14)模式有效面积Aeff随波长λ的变化。如图6(a)所示，给出本发明低阶HEm，1、EHn,1(m,n＝1-5，7)模式非线性系数γ随波长λ的变化。如图6(b)所示，给出本发明高阶HEm，1(m＝8-10,12,14,16)、EHn,1(n＝8-10，12，14)模式非线性系数γ随波长λ的变化。
综上，本发明的光子晶体光纤，结构不同于传统的环光纤要求掺杂获得高折射率和精准的环形厚度设计，它不需要额外的掺杂来获得高折射率，背景材料只需要选择一高折射率材料即可，而且环形区域大小可灵活设计，工艺容差性高。可支持多达58个OAM模式，该结构通过改变传统光子晶体光纤的纤芯和包层结构，可传输多个HE和EH模式。比传统的环光纤在结构设计上更灵活，传输的模式数更多。基于光子轨道角动量每个模式间都是相互正交的，将OAM模式复用应用到光通信中，可以大幅度提升光通信容量。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，其特征在于，包括采用圆形空气孔的中心纤芯、包覆在中心纤芯上的环形高折射率层，及依次包覆在环形高折射率层上的包层一、包层二、包层三、包层四，其中所述包层一由36个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕中心纤芯的圆心旋转角度θ1；所述包层二由40个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕中心纤芯的圆心旋转角度θ2；所述包层三由45个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕中心纤芯的圆心旋转角度θ3；所述包层四由50个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕中心纤芯的圆心旋转角度θ4；每个包层的基底材料为石英且每层包层的方形空气孔大小相同，以及相邻包层的间距相同，并且每层包层围绕中心纤芯成圆形对称分布。
2.根据权利要求1所述可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，其特征在于：所述角度θ1、角度θ2、角度θ3、角度θ4依次减小。
3.根据权利要求1所述可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，其特征在于：所述角度θ1为10°。
4.根据权利要求1所述可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，其特征在于：所述角度θ2为9°。
5.根据权利要求1所述可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，其特征在于：所述角度θ3为8°。
6.根据权利要求1所述可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，其特征在于：所述角度θ4为7.2°。
7.根据权利要求1所述可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，其特征在于：所述环形高折射率层为石英材料。
8.根据权利要求1所述可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，其特征在于：所述每个包层内的方形空气孔为正方形空气孔。
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