CN109188598A - 一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤 - Google Patents

一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，包括：中央空气孔、基底材料、环形阵列纤芯区和包层区，中央空气孔的圆心位于光纤中央，环形阵列纤芯区包括光纤基底和多个沿着中央空气孔均匀排列的掺杂石英柱，所述包层区位于环形阵列纤芯区的外侧并与中央空气孔共圆心，所述包层区是由第一包层、第二包层、第三包层和第四包层构成的环形微结构包层，其中，第一包层、第二包层、第三包层和第四包层分别由42、48、54、60个环形均匀排列的的圆形空气孔构成。本发明光纤的工作波长范围为1.0‑1.8um，在工作波长范围内可支持60个轨道角动量模式，各模式限制损耗低，色散小，有效模式面积大。

Description

一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，特别涉及到一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤。
背景技术
光纤作为光信号传输载体，成为光通信系统中最重要的一部分。现行的光纤通信网络大多采用波分复用、时分复用等复用技术来扩充容量。但是随着现代社会的进步和信息时代的蓬勃发展，人们对于网络带宽的要求越来越高，而基于波分复用等技术的光纤通信系统的容量已越来越接近香农极限。为了扩充通信容量，近年来人们将空分复用技术应用于光纤通信。
轨道角动量作为光除了波长、强度、频率和偏振外的另一个自由度，成为新的信息数据载体，近年来广泛应用于光纤空分复用技术，以提升通信容量。为了稳定传输轨道角动量，人们在设计此类光纤时主要采取三种方案：
(1)环芯光纤。由横截面圆心向外依次为中央空气孔、环形芯区、沟槽区和包层区，环形芯区对基底材料进行高折射率掺杂，沟槽区对基底材料低折射率掺杂，包层区为基底材料。通过环形芯区对两侧的高折射率对比，使得光纤矢量模之间的有效折射率差达到10-4以上，避免形成线偏振模。比如，现有技术设计的传统环形芯区光纤，中央为空气孔，环形芯区采用SiO2和GeO2的混合介质，沟槽区采用SiO2、P2O5和F的混合介质，最外层是包层，可支持34个轨道角动量模式，但是由于光纤芯区的高掺杂导致高损耗，文中报导光纤的损耗在db/m的数量级。
(2)环芯微结构光纤。由横截面圆心向外依次为中央空气孔、环形芯区和包层区，环形芯区为基底材料，包层区是在基底中引入周期性排布的空气孔。通过在包层引入微结构，加强了对光的限制，同时降低了包层区的折射率，增加了环形芯区与包层的折射率差，形成高折射率对比，使得光纤的矢量模之间的有效折射率差达到10-4以上，避免形成线偏振模。比如现有技术设计的环芯光子晶体光纤，支持26个轨道角动量模式，利用4层空气孔包层降低了限制损耗，在1.55um处最大限制损耗为0.003db/m，但是由于环芯区域宽度的限制，无法灵活的增加轨道角动量模式，即环芯区域宽度增加时，矢量模之间的有效折射率差减小，容易形成线偏振模，影响轨道角动量稳定传输，同时，环芯区域宽度增加容易产生径向高阶模式，增大解复用的难度。
(3)多芯光纤。多个高掺杂折射率柱相对于圆心等角环形分布于基底材料上作为纤芯，每个纤芯的半径、掺杂浓度和对光纤圆心的距离等参数均一致，并具有旋转对称性。各芯耦合产生超模，通过同阶中相位差为的超模得到轨道角动量模式，通过模式耦合增大了轨道角动量模式的有效模面积。比如，现有技术有一种设计的多芯耦合光纤，采用6芯均匀分布于基底材料上，产生的超模在1.55um处的最大有效模面积为536.2um2，但是模式的数量严重受限于纤芯的数量，文中报导多芯耦合光纤的轨道角动量最大的阶数小于纤芯数量的一半，即最多产生2阶轨道角动量。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，并通过以下技术方案实现：
一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，包括：中央空气孔、环形阵列纤芯区和包层区，其中，所述中央空气孔的圆心位于光纤中央，其半径为R0，所述环形阵列纤芯区包括光纤基底和多个沿着中央空气孔均匀排列的掺杂石英柱，所述光纤基底的折射率为n0，掺杂石英柱的折射率为n1，各掺杂石英柱半径为r0，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距为Λ0，掺杂石英柱的圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1，所述包层区位于环形阵列纤芯区的外侧并与中央空气孔共圆心，所述包层区是由第一包层、第二包层、第三包层和第四包层构成的环形微结构包层，其中，第一包层、第二包层、第三包层和第四包层分别由42、48、54、60个环形均匀排列的的圆形空气孔构成，每个包层的空气孔的半径为r1，每一包层的相邻空气孔间距为Λ1，第一包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R2，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R3，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R4，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R5。
进一步地，所述中央空气孔的半径R0的范围为18.4-18.6um。
进一步地，所述光纤基底材料为纯石英玻璃。
进一步地，所述环形阵列纤芯区的掺杂石英柱数量为20。
进一步地，所述掺杂石英柱的折射率n1在波长为1.55um处的范围为1.457-1.463um，掺杂石英柱的半径r0的范围为2.98-3.02um，掺杂石英柱圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1的范围为22.2-22.6um，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距Λ0的范围为6.95-7.07um。
进一步地，第一包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R2的范围为27.8-28.2um，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R3的范围为31.8-32.2um，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R4的范围为35.8-36.2um，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R5的范围为39.8-40.2um，相邻空气孔间距Λ1的范围为4.15-4.21um。
进一步地，每个包层的空气孔的半径为r1的范围为1.58-1.62um。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明光纤可支持的轨道角动量模式多，可支持15阶轨道角动量模式，即，可传输60个轨道角动量模式；
(2)本发明光纤的限制损耗低，在1.00-1.80um波长范围内限制损耗最低为1.363×10-8db/km；
(3)本发明光纤的有效模式面积大，在1.00-1.80um波长范围内，最大为661um2。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤实施例的截面图；
图2是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤四分之一结构截面图；
图3是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤1阶LP01超模的场强图；
图4是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤10阶LP11超模的场强图；
图5是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤0阶至9阶LP01超模相邻模式间的有效折射率差随波长的变化示意图；
图6是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤9阶LP01超模和10阶LP11超模的有效折射率差随波长的变化示意图；
图7是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤10阶至15阶LP11超模相邻模式间的有效折射率差随波长的变化示意图；
图8是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤各超模的限制损耗随波长的变化示意图；
图9是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤各超模的色散随波长的变化示意图；
图10是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤0阶至9阶LP01超模的有效模式面积随波长的变化示意图；
图11是本发明的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤10阶至15阶LP11超模的有效模式面积随波长的变化示意图；
图中，1-中央空气孔，2-光纤基底，3-环形阵列纤芯区，4为第一包层，5-第二包层，6-第三包层，7-第四包层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤的一个实施例，其截面结构示意图如图1和图2所示，所述光纤包括中央空气孔1、基底2、环形阵列纤芯区3、第一包层4、第二包层5、第三包层6和第四包层7。基底的折射率n0，环形阵列纤芯的折射率n1。
如图1和2所示，本发明的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，包括：中央空气孔、环形阵列纤芯区和包层区，所述中央空气孔的圆心位于光纤中央，其半径为R0，所述环形阵列纤芯区包括光纤基底和多个沿着中央空气孔均匀排列的掺杂石英柱，所述光纤基底的折射率为n0，掺杂石英柱的折射率为n1，各掺杂石英柱半径为r0，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距为Λ0，掺杂石英柱的圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1，所述包层区位于环形阵列纤芯区的外侧并与中央空气孔共圆心，所述包层区是由第一包层、第二包层、第三包层和第四包层构成的环形微结构包层，其中，第一包层、第二包层、第三包层和第四包层分别由42、48、54、60个环形均匀排列的的圆形空气孔构成，每个包层的空气孔的半径为r1，每一包层的相邻空气孔间距为Λ1，第一包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R2，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R3，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R4，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R5。
本发明的中央空气孔的半径R0的范围为18.4-18.6um。光纤基底材料为纯石英玻璃。环形阵列纤芯区的掺杂石英柱数量为20。
本发明的掺杂石英柱的折射率n1在波长为1.55um处的范围为1.457-1.463um，掺杂石英柱的半径r0的范围为2.98-3.02um，掺杂石英柱圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1的范围为22.2-22.6um，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距Λ0的范围为6.95-7.07um。
如图3和图4所示，本发明通过环形阵列纤芯区各芯的模式耦合对波前相位进行调制，即产生非同相超模，通过超模的组合产生轨道角动量模式，同时由于微结构包层的限制加强，使得光纤可以利用LP11超模产生的轨道角动量模式，因此光纤轨道角动量模式的阶数可以突破芯数的一半，可以产生15阶轨道角动量，即60个轨道角动量模式。
如图5、图6和图7所示，为光纤各相邻超模之间的有效折射率差随波长的变化，由于光纤的中央采用大空气孔，在光纤的包层引入空气孔，因此环形阵列纤芯区相对于两侧有高折射率对比，使得各相邻模式之间的有效折射率差大于10-4，在工作波长范围内，最大为6.76×10-3。
如图8所示，为光纤各超模的限制损耗随波长的变化，由于微结构包层对光的限制加强，同时环形阵列纤芯的掺杂浓度较低，因此在工作波长范围内，限制损耗在10-8-10- 6db/km的数量级，在工作波长范围内，最小为1.36×10-8db/km，足满轨道角动量光纤的传输要求。
如图9所示，为光纤各超模的色散随波长的变化，LP01超模色散小且平坦，LP11超模色散曲线斜率稍大，但仍满足传输要求。
如图10和图11所示，为光纤各超模的有效模式面积随波长的变化，由于采用模式耦合的方法，因此有效模式面积大，在工作波长范围内，最大有效模式面积为661um2，适用于长距离轨道角动量的传输。
实施例一：中央空气孔1的半径R0＝18.4um；基底2为纯石英玻璃；环形阵列纤芯区3掺杂石英柱的折射率在波长为1.55um处为n1＝1.457，半径r0＝2.98um，对光纤圆心距离为R1＝22.2um，相邻两掺杂石英柱间距Λ0＝6.95um；光纤包层区第一包层4、第二包层5、第三包层6和第四包层7空气孔半径r1＝1.58um，第一包层4对光纤圆心距离R2＝27.8um，第二包层5对光纤圆心距离R3＝31.8um，第三包层6对光纤圆心距离R4＝35.8um，第四包层7对光纤圆心距离R5＝39.8um。第一包层4、第二包层5、第三包层6和第四包层7相邻空气孔间距Λ1＝4.15um。
实施例二：中央空气孔1的半径R0＝18.6um；基底2为纯石英玻璃；环形阵列纤芯区3掺杂石英柱的折射率在波长为1.55um处为n1＝1.463，半径r0＝3.02um，对光纤圆心距离为R1＝22.6um，相邻两掺杂石英柱间距Λ0＝7.07um；光纤包层区第一包层4、第二包层5、第三包层6和第四包层7空气孔半径r1＝1.62um，第一包层4对光纤圆心距离R2＝28.2um，第二包层5对光纤圆心距离R3＝32.2um，第三包层6对光纤圆心距离R4＝36.2um，第四包层7对光纤圆心距离R5＝40.2um。第一包层4、第二包层5、第三包层6和第四包层7相邻空气孔间距Λ1＝4.21um。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，包括：中央空气孔、环形阵列纤芯区和包层区，其中，所述中央空气孔的圆心位于光纤中央，其半径为R0，所述环形阵列纤芯区包括光纤基底和多个沿着中央空气孔均匀排列的掺杂石英柱，所述光纤基底的折射率为n0，掺杂石英柱的折射率为n1，各掺杂石英柱半径为r0，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距为Λ0，掺杂石英柱的圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1，所述包层区位于环形阵列纤芯区的外侧并与中央空气孔共圆心，所述包层区是由第一包层、第二包层、第三包层和第四包层构成的环形微结构包层，其中，第一包层、第二包层、第三包层和第四包层分别由42、48、54、60个环形均匀排列的的圆形空气孔构成，每个包层的空气孔的半径为r1，每一包层的相邻空气孔间距为Λ1，第一包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R2，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R3，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R4，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R5。
2.根据权利要求1所述的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，所述中央空气孔的半径R0的范围为18.4-18.6um。
3.根据权利要求1所述的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，所述光纤基底材料为纯石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，所述环形阵列纤芯区的掺杂石英柱数量为20。
5.根据权利要求1所述的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，所述掺杂石英柱的折射率n1在波长为1.55um处的范围为1.457-1.463um，掺杂石英柱的半径r0的范围为2.98-3.02um，掺杂石英柱圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1的范围为22.2-22.6um，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距Λ0的范围为6.95-7.07um。
6.根据权利要求1所述的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，第一包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R2的范围为27.8-28.2um，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R3的范围为31.8-32.2um，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R4的范围为35.8-36.2um，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R5的范围为39.8-40.2um，相邻空气孔间距Λ1的范围为4.15-4.21um。
7.根据权利要求1所述的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，每个包层的空气孔的半径为r1的范围为1.58-1.62um。
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