CN107238890B - 一种可传输22个光子角动量模的光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

一种可传输22个光子轨道角动量模的光子晶体光纤，包括中心纤芯、环形高折射率层和环形包层；纤芯为大的空气孔；环形包层包括包层一、包层二、包层三、包层四。包层一由36个圆环形均匀排列的方形空气孔组成，相邻两个方形空气孔对光纤横截面圆心之间的夹角为10°,包层二由30个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对光纤横截面圆心间夹角为12°；包层三由36个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对光纤横截面圆心间夹角为10°；包层四由40个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，本发明在1500‑1600nm波段可支持的OAM模式数达22个，各模式间串扰少，大部分模式限制损耗低(<10^‑7dB/m),色散小，非线性系数小。

Description

一种可传输22个光子角动量模的光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其是一种可传输22个光子角动量模的光子晶体光纤。

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，因此可将OAM模式复用应用到光通信中，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。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模HE和EH模。故要将OAM复用应用到光通信中来提升通信容量，应使光纤中传输的OAM模式数尽可能的多。

基于光子晶体的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

发明目的：为解决现有技术中光子晶体光纤传输的OAM模式少且损耗较大的技术问题，本发明提出一种可传输22个光子角动量模的光子晶体光纤，本发明将光子晶体光纤的纤芯设计为一圆形空气孔，且包层围绕纤芯呈环形对称结构，这种结构可明显增加OAM的模式数。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种可传输22个光子轨道角动量模的光子晶体光纤，该光纤的横截面包括：由横截面圆心向外依次设置的纤芯、环形高折射率层和环形包层；其中，

纤芯设置于光纤横截面中心，为一个空气孔；

环形高折射率层和环形包层为与纤芯同心的圆环层；且环形高折射率层和环形包层均采用石英材料制成；

环形包层中沿圆心向外依次设置有四层同心圆环层，分别为：包层一、包层二、包层三和包层四；包层一由36个圆环形均匀排列的方形空气孔组成，相邻两个方形空气孔对圆心之间的夹角为10°,包层二由30个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对圆心间夹角为12°；包层三由36个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对圆心间夹角为10°；包层四由40个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对圆心间夹角为9°；包层二、包层三和包层四的层间距相同，且包层二、包层三和包层四中的圆形空气孔大小相同。

进一步的，所述纤芯的直径为11μm；所述环形高折射率层的厚度为1.5μm；所述包层一和包层二之间的层间距为1.4μm；包层二和包层三之间的层间距以及包层三和包层四之间的层间距均为1.9μm；所述方形空气孔的边长为1μm，所述圆形空气孔的直径为1.6μm。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明利用光子晶体光纤结构参数可灵活设计的特性，将光纤结构设计为纤芯为空气孔，纤芯和包层之间的环形区域为高折射率区，使得输入光波时，光能量主要集中在环形高折射率区域，只有极少部分会泄露至包层；高折射率区和背景材料为同一种材料，即环形区域不需要额外的掺杂来获得高折射率，而且环形区域大小可灵活设计；

2、最内层的方形空气孔使得中间环形高折射率区与OAM模式的环形强度分布匹配得更好，可减少泄漏至包层的模式，从而可以支持更多的OAM模式。当输入波长为1500-1600nm时，支持的OAM模式数可达22个；

3、本发明中，光子晶体光纤结构参数可以灵活调整，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；

4、本发明在1500-1600nm波段可支持的OAM模式数达22个，各模式间串扰少，大部分模式限制损耗低(<10^-7dB/m),色散小，非线性系数小。例如，在1550nm，HE_2,1模式的色散只有53.29ps/nm·km，EH_10，1模式的非线性系数最小为1.49km^-1·w^-1。

附图说明

图1为实施例的截面图；

图2为四分之一结构截面图，图中标明了该结构的各种参数；

图3为利用基于有限元法的COMSOL仿真软件对本发明所述光子晶体光纤支持的OAM模式进行数值计算，得到的HE模式最高阶模HE_12，1的Ez场强分布图；

图4为利用基于有限元法的COMSOL仿真软件对本发明所述光子晶体光纤支持的OAM模式进行数值计算，得到的EH模式的最高阶模EH_10，1的Ez场强分布图；

图5为根据仿真结果得到的∣HE_m，1-EH_n,1∣(m＝3-12,n＝1-10)模式有效折射率差ΔNeff随波长λ变化的示意图；

图6为根据仿真结果得到的HE_m，1(m＝2,6,8,10,12)和EH_n,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D随波长λ变化的示意图；

图7为根据仿真结果得到的HE_m，1和EHn,1(m＝1-6,n＝1-5)模式有效面积Aeff随波长λ变化的示意图；

图8为根据仿真结果得到的HE_m，1和EHn,1(m＝7-12,n＝5-10)模式有效面积Aeff随波长λ变化的示意图；

图9为根据仿真结果得到的HE_m，1和EH_n,1(m＝1-6,n＝1-5)模式非线性系数γ随波长λ变化的示意图；

图10为根据仿真结果得到的HE_m，1和EH_n,1(m＝7-12,n＝5-10)模式非线性系数γ随波长λ变化的示意图；

图中：1、纤芯，2、环形高折射率层，3、包层一，4、包层二，5、包层三，6、包层四。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至2所示为本发明一个实施例的结构图，图中显示了可传输22个光子轨道角动量(OAM)模式的光子晶体光纤，该光纤包括由横截面圆心向外依次设置的纤芯1、环形高折射率层2和环形包层，纤芯1设置于光纤横截面中心，为一个大的空气孔；环形高折射率层2和环形包层为与纤芯1同心的圆环层，且环形高折射率层2和环形包层均为石英材料，石英材料的折射率n＝1.444，非线性折射率n₂＝2.3×10^-20m²·w^-1。

环形包层中从内至外依次设置四个同心圆环形包层，分别为：包层一3、包层二4、包层三5、包层四6。包层一3由36个方形空气孔组成，相邻两个方形空气孔对圆心间夹角为θ₁(10°)，包层二4由30个圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对圆心间夹角为θ₂(12°)，包层三5由36个圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对圆心间夹角为θ₃(10°)，包层四6由40个圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对圆心间夹角为θ₄(9°)；且包层的基底材料为石英，包层二3、包层三4和包层四5的圆形空气孔大小相同，相邻层间距相同，每层围绕中心纤芯成圆形对称分布。本发明在1500-1600nm波段可支持的OAM模式数均可达22个。

上述实施例的具体参数为：纤芯1的直径d₀＝11μm,环形高折射率层厚d＝1.5μm，包层一3到包层二4的层间距Λ₁＝1.4μm，包层二4、包层三5和包层四6这三层中，相邻层的层间距Λ₂＝1.9μm。方形空气孔边长d_square＝1μm，圆形空气孔边长d_circle＝1.6μm。

下面通过具体仿真结果，说明本发明的有益效果。

基于上述实施例中所述的具体参数设置，利用基于有限元法的COMSOL仿真软件对实施例中OAM光子晶体光纤中支持的OAM模式进行数值计算，得到如图3所示的HE模式最高阶模HE_12，1的Ez场强分布图和图4所示的EH模式的最高阶模EH_10.1的Ez场强分布图。将COMSOL仿真的结果数据导入origin画图软件中，得到：

图5所示的∣HE_m，1-EH_n,1∣(m＝3-12,n＝1-10)模式有效折射率差ΔNeff随波长λ变化的示意图；图7所示的HE_m，1和EHn,1(m＝1-6,n＝1-5)模式有效面积Aeff随波长λ变化的示意图；图8所示的HE_m，1和EHn,1(m＝7-12,n＝5-10)模式有效面积Aeff随波长λ变化的示意图；图9所示的HE_m，1和EH_n,1(m＝1-6,n＝1-5)模式非线性系数γ随波长λ变化的示意图；图10所示的HE_m，1和EH_n,1(m＝7-12,n＝5-10)模式非线性系数γ随波长λ变化的示意图。

将COMSOL仿真的结果数据导入到MATLAB中经编程运算得到色散数据，再将色散数据导入origin画图软件中，得到图6所示的HE_m，1(m＝2,6,8,10,12)和EH_n,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D随波长λ变化的示意图。

从上述仿真结果可知，本发明通过对所述的光子晶体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种高折射率材料即可，而且环形区域大小可灵活设计，工艺容差性高。本发明的光纤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。本发明在1500-1600nm波段可支持的OAM模式数均可达22个。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可传输22个光子轨道角动量模的光子晶体光纤，其特征在于该光纤的横截面包括：由横截面圆心向外依次设置的纤芯、环形高折射率层和环形包层；其中，

纤芯设置于光纤横截面中心，为一个空气孔；

环形高折射率层和环形包层为与纤芯同心的圆环层；且环形高折射率层和环形包层均采用石英材料制成；

环形包层中沿圆心向外依次设置有四层同心圆环层，分别为：包层一、包层二、包层三和包层四；包层一由36个圆环形均匀排列的方形空气孔组成，相邻两个方形空气孔对圆心之间的夹角为10°,包层二由30个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对圆心间夹角为12°；包层三由36个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对圆心间夹角为10°；包层四由40个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对圆心间夹角为9°；包层二、包层三和包层四的层间距相同，且包层二、包层三和包层四中的圆形空气孔大小相同。

2.根据权利要求1所述的一种可传输22个光子轨道角动量模的光子晶体光纤，其特征在于所述纤芯的直径为11μm。

3.根据权利要求1所述的一种可传输22个光子轨道角动量模的光子晶体光纤，其特征在于所述- 环形高折射率层的厚度为1.5μm。

4.根据权利要求1所述的一种可传输22个光子轨道角动量模的光子晶体光纤，其特征在于所述- 包层一和包层二之间的层间距为1.4μm；包层二和包层三之间的层间距以及包层三和包层四之间的层间距均为1.9μm。

5.根据权利要求1所述的一种可传输22个光子轨道角动量模的光子晶体光纤，其特征在于所述- 方形空气孔的边长为1μm，所述圆形空气孔的直径为1.6μm。