CN108318965B - 一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括环形纤芯、环形微孔层以及包层，环形纤芯和包层均采用石英；环形纤芯内设有与其共圆心的纤芯空气孔；环形微孔层设于环形纤芯外侧，环形微孔层上开设有形状相同的微孔，多个微孔等间距布置并共同形成近圆环形区域，近圆环形区域与纤芯空气孔共圆心，近圆环形区域沿光纤轴向向外依次布置有至少一个；近圆环形区域上的微孔的数量为该近圆环形区域序数*6；每一近圆环形区域上的相邻两微孔之间沿光纤轴向形成长条状的支撑壁；包层设于环形微孔层外侧，并与环形纤芯共圆心。本发明能够支持4阶的OAM光信号传播，验证了光子晶体光纤传输OAM信号的可行性，拓展了光子晶体光纤的应用领域。

Description

一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤。
背景技术
随着移动通信业务的迅猛发展，云计算、物联网、大数据等互联网技术的日渐兴起，当前高度信息化的社会对于通信容量的需求与日俱增。为提高信息传输容量与速度，波分复用、偏振复用和空分复用等技术被广泛应用于单模光纤通信系统中，并使其传输容量接近于香农极限。但是缺乏突破性创新技术，要进一步提升信息的穿上相互容量非常困难。
根据波粒二象性原理，电磁波同时也是光子。1992年，科学家通过实验证实光子具有轨道角动量(OAM)这一基本性质。同一频率的电磁波，理论上可以有无穷多个不同OAM的取值。OAM通信体制研究的核心是把光子轨道角动量(OAM)这一尚未利用的电磁波参数维度用于通信，充分利用光子轨道角动量大幅度提高通信系统的频谱效率和容量，以满足未来10-20年间通信容量2-3个数量级的增长需求。
OAM通信的概念，就是利用OAM模式这一组电磁波本征模式的阶数取值l，作为新的可供调制或复用的参数维度资源，即利用不同l值代表不同编码状态或不同信息通道，从而开辟进一步提高频谱效率的新途径。由于l值具有无限取值范围，此方法理论上可能具有无限增加光子或电磁波承载的信息量的潜力。
更重要的是，电磁波OAM维度与目前用于通信的频率、传播方向相位、振幅等维度之间是正交的。这意味着引入OAM维度，原理上不会阻碍现有通信体制的继续使用。因此可以在已有通信体制的基础上，直接通过增加OAM维度，大幅度提供新增容量。
然而，上述理论潜力目前也没有得到应有的探索、开发、利用。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，能够支持4阶的OAM光信号传播，验证了光子晶体光纤传输OAM信号的可行性，拓展了光子晶体光纤的应用领域。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括：
环形纤芯，所述环形纤芯内设有与其共圆心的纤芯空气孔；
环形微孔层，所述环形微孔层设于所述环形纤芯外侧，所述环形微孔层上开设有形状相同的微孔，多个所述微孔等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁；
包层，所述包层设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯共圆心；以及，
所述微孔远离所述纤芯空气孔的边沿与位于该微孔两侧的所述支撑壁相接处均设有第一倒角；和/或，
所述微孔靠近所述纤芯空气孔的边沿与位于该微孔两侧的所述支撑壁相接处均设有第二倒角。
在上述技术方案的基础上，所述近圆环形区域设有一个。
在上述技术方案的基础上，位于同一所述近圆环形区域上的各所述微孔靠近所述纤芯空气孔的边沿相连接并形成与所述纤芯空气孔同心的圆形。
在上述技术方案的基础上，位于同一所述近圆环形区域上的各所述微孔远离所述纤芯空气孔的边沿相连接并形成与所述纤芯空气孔同心的圆形。
在上述技术方案的基础上，其特征在于：所述支撑壁厚度h小于光的半波长，其中波长为1550nm。
在上述技术方案的基础上，所述环形纤芯的内径d为5.0μm～7.0μm。
在上述技术方案的基础上，所述环形纤芯的外径D1为6.5μm～8.0μm。
在上述技术方案的基础上，所述包层外还设有涂层。
本发明提供一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括：
环形纤芯，所述环形纤芯内设有与其共圆心的纤芯空气孔；
环形微孔层，所述环形微孔层设于所述环形纤芯外侧，所述环形微孔层上开设有呈玉米粒形状的微孔，多个所述微孔等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁；
包层，所述包层设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯共圆心；以及，
所述微孔远离所述纤芯空气孔的边沿与位于该微孔两侧的所述支撑壁相接处均设有第一倒角；和/或，
所述微孔靠近所述纤芯空气孔的边沿与位于该微孔两侧的所述支撑壁相接处均设有第二倒角。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明专利提供的传输光子轨道角动量光子晶体光纤，能够传输4阶轨道角动量信号，通过微孔和纤芯空气孔的优化组合设计，使OAM信号的高阶模式不分布在支撑壁内，这样就不会在支撑壁内形成谐振模式，从而降低了光纤的损耗。这种光子晶体光纤具有极佳的传输OAM信号的特点，从而为光子轨道角动量通信以及传感期间的设计奠定基础。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光子晶体光纤端面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光子晶体光纤端面二分之一结构示意图，图中标明了该结构的各种参数；
图3为本发明实施例提供的光子晶体光纤端面电子显微镜图；
图4为本发明实施例提供的不同阶数的OAM光信号通过光纤输出的衍射图。
图中：1、环形纤芯；10、纤芯空气孔；2、微孔；20、支撑壁；21、第一倒角；22、第二倒角；3、包层；4、涂层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参见图1所示，本发明实施例提供一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括环形纤芯1、环形微孔层以及包层3，环形纤芯1和包层3均采用石英；所述环形纤芯1内设有与其共圆心的纤芯空气孔10；所述环形微孔层设于所述环形纤芯1外侧，所述环形微孔层上开设有形状相同的微孔2，多个所述微孔2等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔10共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔2的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔2之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁20；所述包层3设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯1共圆心。
本发明环形微孔层的结构状态如图1所示，在纤芯空气孔10的外侧周围分布环形微孔层，环形微孔层包括有至少个一个近圆环形区域，近圆环形区域与纤芯空气孔10共圆心，近圆环形区域是由多个微孔2等间距布置而形成，近圆环形区域上的微孔2的数量分别为(沿光纤径向从内向外)：第1层近圆环形区域的微孔2数量为N1＝1*6＝6个，第2层近圆环形区域的微孔2数量为N2＝2*6＝12个，依次类推，第x层近圆环形区域的微孔2数量Nx＝x*6。优选地，如图1所示，所述近圆环形区域设有一个，微孔2数量为6个，此时晶体光纤制作工艺最简单且光纤的传输效果最好。
本发明专利提供的传输光子轨道角动量光子晶体光纤，能够传输4阶轨道角动量信号，通过微孔和纤芯空气孔的优化组合设计，使OAM信号的高阶模式不分布在支撑壁内，这样就不会在支撑壁内形成谐振模式，从而降低了光纤的损耗。这种光子晶体光纤具有极佳的传输OAM信号的特点，从而为光子轨道角动量通信以及传感期间的设计奠定基础。
实施例2
参见图1所示，本发明实施例提供一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括环形纤芯1、环形微孔层以及包层3；所述环形纤芯1内设有与其共圆心的纤芯空气孔10；所述环形微孔层设于所述环形纤芯1外侧，所述环形微孔层上开设有形状相同的微孔2，多个所述微孔2等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔10共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔2的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔2之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁20；所述包层3设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯1共圆心；此外，所述微孔2远离所述纤芯空气孔10的边沿与位于该微孔2两侧的所述支撑壁20相接处均设有第一倒角21；和/或，所述微孔2靠近所述纤芯空气孔10的边沿与位于该微孔2两侧的所述支撑壁20相接处均设有第二倒角22。
由于光的轨道角动量能量由光角向动量带有能量提供。然而，支撑壁20-环形纤芯1在角向上存在由支撑壁20引起的周期性折射率波动，会对角向运动产生影响，造成角向衍生模式产生，环形纤芯1与支撑壁20存在由支撑壁20引起的周期性折射率波动，会对角向运动的光信号产生影响，造成角向衍生模式产生，倒角越接近90度这种影响就越小，反之影响增大，因此，通过设置倒角，使得支撑壁20与微孔2的两个边沿尽可能向90°夹角靠近，从而提高信号传输性能。
实施例3
参见图1所示，本发明实施例提供一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括环形纤芯1、环形微孔层以及包层3；所述环形纤芯1内设有与其共圆心的纤芯空气孔10；所述环形微孔层设于所述环形纤芯1外侧，所述环形微孔层上开设有形状相同的微孔2，多个所述微孔2等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔10共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔2的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔2之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁20；所述包层3设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯1共圆心；同时，
位于同一所述近圆环形区域上的各所述微孔2靠近所述纤芯空气孔10的边沿相连接并形成与所述纤芯空气孔10同心的圆形；
当然了，位于同一所述近圆环形区域上的各所述微孔2远离所述纤芯空气孔10的边沿相连接并形成与所述纤芯空气孔10同心的圆形。
由于OAM模式在光纤中存在为两个光纤基础模式存在相位差的线性的叠加：
Figure GDA0002214814790000071
Figure GDA0002214814790000072
所以，保证光纤环形纤芯1的圆对称结构可以减少OAM模式传播过程中的衰减，解体。
实施例4
参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括环形纤芯1、环形微孔层以及包层3；所述环形纤芯1内设有与其共圆心的纤芯空气孔10；所述环形微孔层设于所述环形纤芯1外侧，所述环形微孔层上开设有形状相同的微孔2，多个所述微孔2等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔10共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔2的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔2之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁20；所述包层3设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯1共圆心；其中，所述支撑壁20厚度h小于光的半波长，其中波长为1550nm，小于半波长才能将信号光更多的限制在环形纤芯1中，不让其泄露出去，结构设计上保证光纤的低衰减，所述支撑壁20沿所述光纤径向的长度l为2.5μm～5.0μm。
实施例5
参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括环形纤芯1、环形微孔层以及包层3；所述环形纤芯1内设有与其共圆心的纤芯空气孔10；所述环形微孔层设于所述环形纤芯1外侧，所述环形微孔层上开设有形状相同的微孔2，多个所述微孔2等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔10共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔2的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔2之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁20；所述包层3设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯1共圆心。
其中，所述环形纤芯1的内径d为5.0μm～7.0μm，所述环形纤芯1的外径D1为6.5μm～8.0μm，所述包层3的直径D2为100-165μm，优选为125μm，所述光纤在1550nm波长处的传输损耗为1.8dB/km。
在晶体光纤中，由于模式数量对环形纤芯1的纤芯空气孔10内径和环形纤芯1宽度的依赖，微小的变化将带来较大的改变，因此，对环结构的精确度和均匀度有较高要求，为了便于比较精确的进行拉制，将横截面中的微孔2仍然设计为三角稳固型的分布，并根据模型计算了缩小支撑壁20宽度至小于半波长，使之不支持光谐振模式，降低光泄露，减小传输损耗，并且优化支撑壁20与微孔2的接合处结构，使环外侧的曲线接近于圆形，并对实际研制的光纤进行了传输性能的测试，将设计值和实际测量值之间进行了分析对比，从而进一步优化了光子晶体光纤满足传输OAM信号最佳性能所需求的光纤空气孔结构，最终实OAM模式信号传输光纤的成功研制。
实施例6
参见图1所示，本发明实施例提供一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括环形纤芯1、环形微孔层、包层3以及涂层4；所述环形纤芯1内设有与其共圆心的纤芯空气孔10；所述环形微孔层设于所述环形纤芯1外侧，所述环形微孔层上开设有形状相同的微孔2，多个所述微孔2等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔10共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔2的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔2之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁20；所述包层3设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯1共圆心；涂层4设于包层3外，涂层4采用聚丙烯树脂等材料制作，所述涂层4直径D3为200-350μm，优选245μm。
实施例7
参见图1所示，本发明实施例提供一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其包括环形纤芯1、环形微孔层和包层3；所述环形纤芯1内设有与其共圆心的纤芯空气孔10；所述环形微孔层设于所述环形纤芯1外侧，所述环形微孔层上开设有呈玉米粒形状的微孔2，多个所述微孔2等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔10共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔2的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔2之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁20；所述包层3设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯1共圆心。
本发明拉制的晶体光纤具有多孔结构，拉制时需要对纤芯空气孔和微孔进行气压控制，通过拉制光纤时对结构中的纤芯空气孔和微孔进行气压控制才能保证光纤的最终结构能够达到设计要求，具体工艺实施过程中，将微孔和纤芯空气孔分开进行单独控制。其中纤芯空气孔的气压记为P1、微孔的气压记为P2；二者的压力差为ΔP。通过两部分的压力的差来控制纤芯空气孔、微孔的结构和尺寸。
下表1中为近圆环形区域设有一个，微孔数量为6个时的晶体光纤拉制时的参数以及传输OAM信号模式数。
表1轨道角动量传输光子晶体光纤实施例
Figure GDA0002214814790000101
采用两级气压控制，光纤的结构达到了设计的需求，成功拉制了能够传输4阶OAM信号的光子轨道角动量传输光子晶体光纤。
当采用表1中例3进行试验时，其效果最佳。首先对光纤的端面结构进行电子显微镜检测(参见图3所示)。根据光纤端面结构，测量出光纤达到了设计的需求，并且采用截断法对此种光子晶体光纤传输OAM信号时的衰减进行测试，测得其1550波长的损耗为1.8dB/km；此外使用该光纤搭建测试平台进行OAM信号传输的实验验证，验证结果见图4所示，此种OAM光纤能够传输4阶的OAM信号，并且传输的距离达到了2km，该结果是目前已知的使用光子晶体光纤进行OAM信号传输的最长的距离。该工作的进展受到了国内外学术界的广泛关注，这一结果填补了国内OAM光子晶体光纤的空白，并且促进了OAM通信研究的向前发展。
本发明不局限于上述实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其特征在于，其包括：
环形纤芯(1)，所述环形纤芯(1)内设有与其共圆心的纤芯空气孔(10)；
环形微孔层，所述环形微孔层设于所述环形纤芯(1)外侧，所述环形微孔层上开设有形状相同的微孔(2)，多个所述微孔(2)等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔(10)共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔(2)的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔(2)之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁(20)；
包层(3)，所述包层(3)设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯(1)共圆心；以及，
所述微孔(2)远离所述纤芯空气孔(10)的边沿与位于该微孔(2)两侧的所述支撑壁(20)相接处均设有第一倒角(21)；和/或，
所述微孔(2)靠近所述纤芯空气孔(10)的边沿与位于该微孔(2)两侧的所述支撑壁(20)相接处均设有第二倒角(22)。
2.如权利要求1所述的传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其特征在于：所述近圆环形区域设有一个。
3.如权利要求1所述的传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其特征在于：位于同一所述近圆环形区域上的各所述微孔(2)靠近所述纤芯空气孔(10)的边沿相连接并形成与所述纤芯空气孔(10)同心的圆形。
4.如权利要求1所述的传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其特征在于：位于同一所述近圆环形区域上的各所述微孔(2)远离所述纤芯空气孔(10)的边沿相连接并形成与所述纤芯空气孔(10)同心的圆形。
5.如权利要求1至4任一所述的传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其特征在于：所述支撑壁(20)厚度h小于光的半波长，其中波长为1550nm。
6.如权利要求1所述的传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其特征在于：所述环形纤芯(1)的内径d为5.0μm～7.0μm。
7.如权利要求1所述的传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其特征在于：所述环形纤芯(1)的外径D1为6.5μm～8.0μm。
8.如权利要求1所述的传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其特征在于：所述包层(3)外还设有涂层(4)。
9.一种传输光子轨道角动量的光子晶体光纤，其特征在于，其包括：
环形纤芯(1)，所述环形纤芯(1)内设有与其共圆心的纤芯空气孔(10)；
环形微孔层，所述环形微孔层设于所述环形纤芯(1)外侧，所述环形微孔层上开设有呈玉米粒形状的微孔(2)，多个所述微孔(2)等间距布置并共同形成近圆环形区域，所述近圆环形区域与所述纤芯空气孔(10)共圆心，所述近圆环形区域沿所述光纤径向向外依次布置有至少一个；所述近圆环形区域上的微孔(2)的数量为该近圆环形区域序数*6；每一所述近圆环形区域上的相邻两所述微孔(2)之间沿所述光纤径向形成长条状的支撑壁(20)；
包层(3)，所述包层(3)设于所述环形微孔层外侧，并与所述环形纤芯(1)共圆心；以及，
所述微孔(2)远离所述纤芯空气孔(10)的边沿与位于该微孔(2)两侧的所述支撑壁(20)相接处均设有第一倒角(21)；和/或，
所述微孔(2)靠近所述纤芯空气孔(10)的边沿与位于该微孔(2)两侧的所述支撑壁(20)相接处均设有第二倒角(22)。
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