CN109116467A - 一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，包括光纤基底、环形纤芯、包层空气孔、负曲率玻璃管；所述包层空气孔环形排布在环形纤芯的外壁，所述负曲率玻璃管环形排布在包层空气孔的外层。所有模式通过全反射被束缚在环形纤芯中，再由负曲率玻璃管的反谐振效应加强模式束缚能力。环形纤芯折射率分布与轨道角动量模式能量分布相匹配，能有效地调节光纤中各个本征矢量模式的有效折射率差，通过设计环形纤芯管壁厚度与环形纤芯尺寸来控制模式数量以及模式分离度。负曲率玻璃管的厚度对光传播具有反谐振效果，并实现矢量模式的截止条件。本发明可以实现无多入多出数字信号处理的短距大容量模分复用传输。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信领域，涉及一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤。
背景技术
空分复用和模分复用技术是现如今扩大传输容量的两种有效手段。在众多空分复用应用中，多芯光纤是最直接的复用方式，其中低串扰的19芯光纤已经被报道。但是该设计很难形成规模，因为扩大包层直径来容纳更多纤芯或者减小纤芯间距来提升纤芯密度对于光纤性能都会造成不利的影响。前者会使得光纤更容易折断，而后者则会带来更大的芯间串扰。较之多芯光纤，基于模分复用的少模光纤则是更集成化的实现方式。然而，对于传统的阶跃少模光纤来说，每个模组中的本征模都接近简并状态，他们的光功率由于外界扰动很容易耦合在一起造成严重的模间串扰从而限制最终传输系统的性能，所以如何降低模式间的耦合是一个非常重要的研究方向。诚然，多入多出的数字信号处理可以用来解开各个强耦合模式并且基于多入多出的数字信号处理已被证明可以用在12入12出的模式解复用中。但是，对于例如有低延迟大容量传输需求的高性能计算系统，多入多出的数字信号处理所带来的时间和软硬件成本将变得不可忽视。因此，在光纤中寻求新的复用方式变得格外迫切。
轨道角动量是模分复用的另一种复用形式，近年来在通信容量密度和兼容性等方面取得了重大突破。轨道角动量是光子的一种准本征属性，其在光束中宏观表现为电磁场的空间相位分布沿角向满足整数自洽性。轨道角动量通信研究的核心是把光子轨道角动量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。轨道角动量模式由同一个本征矢量模的奇偶模叠加而成（叠加时相位偏离π/2），由于本征矢量模的有效折射率有足够的分离度，所以轨道角动量模式无需多入多出的数字信号处理便可以实现大容量模分复用传输。
环形光纤被广泛应用于轨道角动量模式的传输，其中环形光子晶体光纤具有更大的纤芯包层折射率差可以更有效地分离本征模式的传播常数。反谐振光纤由于其新颖的导光机理近年来也成为光纤设计制备中的热点，有效地将反谐振光纤中的负曲率玻璃管引入光子晶体光纤中，可以进一步降低光纤的限制损耗并且具有控制模式截止条件的特性。但是传统的光纤结构复杂，导致制作工艺繁杂。而且传统的光纤会掺杂其他材料，容易受环境温度的影响。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提出一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤。
本发明提供的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤。其特征在于：包括光纤基底和、环形纤芯、包层空气孔、负曲率玻璃管；该反谐振环形光纤是一个变形后的光子晶体光纤，所述包层空气孔环形排布在环形纤芯的外壁，环形纤芯的折射率由包层空气孔大小决定，包层空气孔占空比越大所述包层的折射率越低；环形纤芯利用全反射原理将轨道角动量模式束缚在其中，所述负曲率玻璃管环形排布在包层空气孔的外层，负曲率玻璃管利用反谐振原理再一次降低轨道角动量模式的限制损耗；中心环形纤芯用于分离本征矢量模间的有效折射率并且抑制径向高阶模式，负曲率玻璃管的厚度对光传播具有反谐振效果，可以进一步控制模式的截止条件，并实现矢量模式的截止条件。本发明的反谐振环形光纤结构中，利用全反射原理将光束缚在环形纤芯中，环形纤芯的折射率分布与轨道角动量模式的能量分布相匹配。光纤基底、环形纤芯都采用单一的石英玻璃材料。本征矢量模间有效折射率大于10-4量级证明本发明可用于支持多个轨道角动量模式传输。
进一步的，所述反谐振环形光纤的波长范围能够覆盖C+L波段。
进一步地，光纤基底的横截面为环形结构，环形纤芯、包层空气孔和负曲率玻璃管位于所述环形结构的中空部位。
进一步的，所述光纤基底的材料为石英玻璃材料。
进一步的，所述环形纤芯的厚度直接影响模式数量和模式传播常数分离度。通过设计管壁厚度来调整本征矢量模式的传播常数从而达到模式间有效折射率差分离度大于10-4的目的。
进一步的，所述包层空气孔的占空比直接确定包层折射率大小。包层空气孔占空比越大，包层折射率越低，更低的包层折射率可以提高环形纤芯包层间的折射率差，更大地加大模式分离度。
进一步地，环形纤芯管壁内外半径比ρ的有效取值范围是0.6~0.8。
进一步的，负曲率玻璃管用来支撑中间的环形纤芯，当负曲率玻璃管厚度达到反谐振条件，负曲率玻璃管的管壁还可以进一步抑制光的泄漏增强模式束缚能力。因为不同本征矢量模式的玻璃管壁反谐振厚度不同（管壁厚度对于一个模式是反谐振条件而对于另一个模式可能是谐振条件），所以可以通过设计负曲率玻璃管厚度来控制矢量模的截止条件。
与传统的技术相比本发明的有益效果是：本发明能通过设计环形纤芯尺寸和包层空气孔占空比来选择轨道角动量模式数量；通过设计环形纤芯管壁厚度以及外层负曲率玻璃管厚度来调控矢量模的截止条件。其次，所述反谐振环形光纤只需采用一种材料就可实现，无需采用掺杂等方法改变材料的折射率，制作工艺简单。再其次，所述反谐振环形光纤结构，采用堆管技术即可实现，因而可以保证产品的成品率。同时，所述反谐振环形光纤不易受环境温度变化的影响，具有更强的环境稳定性，可保证轨道角动量模式的稳定传输。
附图说明
图1是本发明提出的支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤截面图；
图2是关于环形纤芯管壁内外半径比ρ和归一化频率V eff的截止条件效果图；
图3是各个本征矢量模的限制损耗对于负曲率玻璃管厚度t的依赖关系效果图；
图4是各阶轨道角动量模式中各本征矢量模的模式强度分布以及电场分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或符号，均是本领域技术人员可以根据现有技术理解或实现的。
本实施例提供的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，用于支持多个轨道角动量模式（OAM）传输的反谐振环形光纤横截面如图1所示。该反谐振环形光纤包括：光纤基底1采用单一的石英玻璃材料，环形纤芯2为环形石英玻璃管，包层空气孔3成环形排布在环形纤芯2的外壁，负曲率石英玻璃管4环形排布在包层空气孔3的外层。其中，环形纤芯2外壁半径r为7微米，环形纤芯2内壁半径r 0与外壁半径r的比ρ为0.65，包层空气孔占空比d/Λ 为0.8（其中d为包层空气孔直径，Λ为相邻两个包层空气孔的圆心间距），负曲率玻璃管4的厚度t为1.2微米，负曲率玻璃管4的内半径R为9微米，光纤基底1管内径D为61.2微米，工作波长为1550纳米。该反谐振环形光纤可以支持7阶OAM共26个模式，相邻矢量模间的有效折射率差Δn eff均大于10-4量级。当Δn eff大于10-4时同组本征矢量模不会重新耦合为线偏振模（LP）。同时，该光纤还具有弯曲不敏感、非线性系数低以及色散平坦的特性。
图2为本发明所述支持多个轨道角动量模式传输的反谐振环形光纤的各个本征矢量模关于环形纤芯2管壁内外半径比ρ和有效归一化频率V eff的截止条件。其中，TE，TM，HE/EH分别表示横电模,横磁模和混合模；各模式的第一下标称为方位角模数，表示纤芯沿方位角绕一圈电场变化的周期；第二下标称为径向模数，表示从纤芯中心到纤芯与包层交界面电场变化的半周期数。从图中可以看出，ρ的有效取值范围是0.6~0.8。因为当ρ大于0.6且V eff小于11时，径向高阶模式可以被截止。当ρ小于0.8时，环形纤芯2的厚度不会太小从而可以保证轨道角动量模式的质量。
图3为本发明所述支持多个轨道角动量模式传输的反谐振环形光纤的限制损耗对于负曲率玻璃管4厚度t的依赖关系。从图中可以看出，每一个本征矢量模的反谐振区间不尽相同，可以利用这一特性来截止不需要的模式。例如，在激发轨道角动量模式时，径向高阶模是需要被截止的模式，那么t取1.2微米时可以截止径向高阶模TE02和HE12并且同时束缚住其他模式。因此当V eff大于11时，可以通过改变t值来进一步截止径向高阶模式。
图4为本实例所述支持多个轨道角动量模式传输的反谐振环形光纤所支持的各阶OAM模式的模式强度分布以及电场分布图。其中，σ+，σ−分别表示偏振方向右旋与左旋；OAM±m,n表达式中+，−分别表示相位波前右旋及左旋，m表示拓扑荷数，n表示径向阶数。环形纤芯尺寸及环形纤芯厚度共同决定了模式的数量以及模式有效折射率的分离程度，因此该反谐振环形光纤可以支持26个OAM模式并且每个相邻的本征矢量模间的有效折射率差均能保证大于10-4量级。而且在C+L波段上还具有弯曲不敏感、非线性系数低以及色散平坦的特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，其特征在于：包括光纤基底（1）和位于光纤基底中的环形纤芯（2）、包层空气孔（3）和负曲率玻璃管（4）；所述包层空气孔（3）环形排布在环形纤芯（2）的外壁，环形纤芯（2）的折射率由包层空气孔（3）大小决定，包层空气孔（ 3）占空比越大所述包层的折射率越低，环形纤芯（2）利用全反射原理将轨道角动量模式束缚在其中；多个所述负曲率玻璃管（4）环形排布在包层空气孔（3）的外层，负曲率玻璃管（4）利用反谐振原理再一次降低轨道角动量模式的限制损耗；中心环形纤芯（2）用于分离本征矢量模间的有效折射率并且抑制径向高阶模式，负曲率玻璃管（4）的厚度对光传播具有反谐振效果，可以进一步控制模式的截止条件，并实现矢量模式的截止条件。
2.根据权利要求1所述的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，其特征在于：所述反谐振环形光纤的波长范围能够覆盖C+L波段。
3.根据权利要求1所述的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，其特征在于：光纤基底（1）的横截面为环形结构，环形纤芯（2）、包层空气孔（3）和负曲率玻璃管（4）位于所述环形结构的中空部位。
4.根据权利要求1所述的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，其特征在于：所述光纤基底（1）的材料为石英玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，其特征在于：通过改变所述环形纤芯（2）的厚度来改变模式数量和模式传播常数分离度。
6.根据权利要求1所述的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，其特征在于：所述包层空气孔（3）的占空比直接确定包层折射率大小。
7.根据权利要求1所述的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，其特征在于：所述负曲率玻璃管（4）既起支撑作用又具有反谐振效果，该反谐振效果进一步减少模式的泄露损耗。
8.根据权利要求1所述的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，其特征在于：环形纤芯管壁内外半径比ρ的有效取值范围是0.6~0.8。
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