CN110515153B - 一种低色散oam模传输光纤 - Google Patents

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Abstract

一种低色散OAM模传输光纤，具体为一种新型的可支持传输多个轨道角动量（OAM）光束模式的光子晶体光纤（PCF），包括采用圆形空气孔的中心纤芯，包覆在中心空气孔上的环形高折射率层，和包层一，包层二，包层三，包层四。包层一由18组微结构组成，每组微结构包括1个半径为r1的中心空气孔及4个半径为r2环绕中心空气孔对称排列的边缘空气孔，包层二由18个半径为r3的圆形空气孔组成，包层三由18个半径为r4的圆形空气孔组成，包层四由18个半径为r5的圆形空气孔组成。对PCF的外圈包层空气孔做了渐变扩大设计，有效提高了了芯包折射率差并大幅降低限制损耗。本发明支持多达26个轨道角动量（OAM）光束模式，可传输多个HE和EH模式，可大幅提升光通信容量。

Description

一种低色散OAM模传输光纤
技术领域
本发明属于光子晶体光纤传感技术领域，具体涉及一种低色散OAM模传输光纤。
背景技术
几十年来，通信行业发展迅速，用于传输信息的光纤相应地经历了许多变化，从单模到多模，从单核到多核。光子晶体光纤（PCF）在上世纪末被发明为传输光纤的非常规结构。
随着业界对信道容量需求的增加，已经提出了使用轨道角动量（OAM）作为信息载体的概念。特殊类型的光，如涡旋光，在传播过程中具有轨道角动量。可以证明，涡旋光束的每个光子都带有一定量的轨道角动量。可以提供轨道角动量的光波模式称为OAM模式。可以采用许多方法来生成OAM光束，例如使用螺旋相位板，衍射光学元件，柱面透镜和LG光束。
设计一种可以传输OAM光束的光纤已成为一个热门的研究方向。正因为如此，PCF成为潜在的研究对象。研究人员已经找到了许多传输OAM模式的方法，例如阶跃折射率光纤，环形核心PCF和螺旋扭曲PCF。2012年，用于OAM传输的PCF被首次提出。因形状上能较好匹配OAM模式的光场强度分布，具有环芯结构的PCF（C-PCF）被广泛探索和研究。
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，提供一种低色散OAM模传输光纤，解决传统的多边形空气孔排布的光子晶体光纤传输OAM光束时支持模式较少，色散较大以及限制损耗较大的问题。将容纳光场的高折射率层设计为环形，更好地契合OAM光束的光场分布。在最内圈包层中加入一种微结构来降低其色散，并对PCF的外圈包层空气孔做了渐变扩大设计，这有效提高了了芯包折射率差并大幅降低限制损耗。
一种低色散OAM模传输光纤，具体为一种新型的可传输多个轨道角动量光束模式的光子晶体光纤；
所述光子晶体光纤包括了采用圆形空气孔的中心纤芯，包覆在中心空气孔上的环形高折射率层，和依次由内到外的包层一，包层二，包层三，包层四；
所述包层一由18组微结构组成，每组微结构包括1个半径为r1的中心空气孔及4个半径为r2环绕中心空气孔对称排列的边缘空气孔；
所述包层二由18个半径为r3的圆形空气孔组成；
所述包层三由18个半径为r4的圆形空气孔组成；
所述包层四由18个半径为r5的圆形空气孔组成；
具有嵌入微结构的最内圈包层一的空气孔和渐变扩大分布的外圈包层空气孔，可支持26个轨道角动量模式传输。
进一步地，在所述包层一中加入一种微结构，降低传输光束的色散。
进一步地，所述半径r1为0.12μm，所述半径r2为0.1μm，所述半径r3为1.0μm，所述半径r4为1.2μm，所述半径r5为1.4μm。
进一步地，所述每个包层和环形高折射率层的基底材料为石英，相邻包层的间距相同且每层围绕中心纤芯呈圆形对称分布。
进一步地，在所述包层二，包层三和包层四组成的外圈包层中，采用了渐变扩大空气孔半径的结构，所述半径r3，r4，r5依次增大，提高芯包折射率差，以降低传输光束的限制损耗。
进一步地，所述每个包层内的圆形空气孔为正圆形空气孔。
本发明采用上述方案，能产生如下技术效果：
本发明提出的一种低色散OAM模传输光纤，结构基底采用石英材料，配合圆形的中心空气孔及环形分布的包层结构，构造了环形的高折射率传输区，其形状十分契合OAM光束的光场分布，可增大容纳的模式数以及减少限制损耗。通过对该光纤结构的优化设计，可支持的本征模式包括HEl+1,m,EHl-1,m,TM0,1和TE0,1（l=2-7,m=1），总共7个OAM模式群组，其中每个模式群组包含4个OAM模式，共组成了26个OAM模式。在1.5微米至1.8微米波段，HEl+1,m模和EHl-1,m模的有效折射率差不小于10-4，保证了HEl+1,m模和EHl-1,m模不会耦合成LP模，而可以通过线性叠加得到OAM模，有效地抑制传输中的模间串扰，改善光子晶体光纤中OAM光束的传输质量。
本发明设计的包层结构不同于传统的光子晶体光纤所具有的圆形或多边形设计，而是在最内圈包层一加入了一种微结构，这一圈微结构有效地降低了传输的OAM光束的色散。同时对剩余包层的空气孔半径作了主次扩大的设计，增大了芯包折射率差，使传输区对光场的限制作用加强，显著降低了限制损耗。
本发明的光子晶体光纤，可支持传输26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。比传统的光子晶体光纤设计上更灵活，传输的模式数更多。将OAM模式复用到光通信中，可大幅提升光通信的容量。
附图说明
图1为本发明提出的新型PCF的结构剖面图。
图2为每个微结构的结构剖面图。
图3为一般全内反射型PCF的结构剖面图。
图中，1-中心纤芯，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
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种低色散OAM模传输光纤，具体为一种新型的可传输多个轨道角动量光束模式的光子晶体光纤。
所述光子晶体光纤包括了采用圆形空气孔的中心纤芯1，包覆在中心空气孔上的环形高折射率层2，和依次由内到外的包层一3，包层二4，包层三5，包层四6。
所述包层一3由18组微结构组成，每组微结构包括1个半径为r1的中心空气孔及4个半径为r2环绕中心空气孔对称排列的边缘空气孔。
所述包层二4由18个半径为r3的圆形空气孔组成。
所述包层三5由18个半径为r4的圆形空气孔组成。
所述包层四6由18个半径为r5的圆形空气孔组成。
具有嵌入微结构的最内圈包层一3的空气孔和渐变扩大分布的外圈包层空气孔，可支持26个轨道角动量模式传输。
所述包层一3中加入一种微结构，降低传输光束的色散。
所述半径r1为0.12μm，所述半径r2为0.1μm，所述半径r3为1.0μm，所述半径r4为1.2μm，所述半径r5为1.4μm。
所述每个包层和环形高折射率层2的基底材料为石英，相邻包层的间距相同且每层围绕中心纤芯呈圆形对称分布。
在所述包层二4，包层三5和包层四6组成的外圈包层中，采用了渐变扩大空气孔半径的结构，所述半径r3，r4，r5依次增大，提高芯包折射率差，以降低传输光束的限制损耗。
所述每个包层内的圆形空气孔为正圆形空气孔。
本发明通过对该光纤结构的参数进行优化设计，在1.5微米至1.8微米波段可支持的本征模式包括HEl+1,m,EHl-1,m,TM0,1和TE0,1（l=2-7,m=1），总共7个OAM模式群组，其中每个模式群组包含4个OAM模式，共组成了26个OAM模式。
本发明，结构基底采用合适的材料，配合圆形的中心空气孔及环形分布的包层结构，构造了环形的高折射率传输区，其形状十分契合OAM光束的光场分布，可增大容纳的模式数以及减少限制损耗。通过对该光纤结构的参数进行优化设计，HEl+1,m模和EHl-1,m模的有效折射率差不小于10-4，保证了HEl+1,m模和EHl-1,m模不会耦合成LP模，而可以通过线性叠加得到OAM模，有效地抑制传输中的模间串扰，改善光子晶体光纤中OAM光束的传输质量。
本发明的光纤，在最内圈包层中（所述包层一3）加入了一种微结构，这一圈微结构有效地降低了传输的OAM光束的色散。同时对剩余包层（所述包层二4，包层三5及包层四6）的空气孔半径作了主次扩大的设计，增大了芯包折射率差，使传输区对光场的限制作用加强，显著降低了限制损耗。
结合图3给出光子晶体光纤的具体参数：N是同心空气环的数量，排列为0到6。（N =1,2的两个包层空气环被中心空气孔和环形芯覆盖）Λ是每圈包层空气孔圆心径向间距，Λ= 2.0μm。r0表示中心气孔的半径，r0 = 3.2μm。r表示纤芯的半径，r =5.2μm。d3至d6是包层圈空气孔的直径，d3 = 0.8μm； d4 = 2.0μm； d5 = 2.4μm； d6 =2.8μm。其中包层一3的空气孔被替换为图2显示的微结构。由于具有相似的几何形状，微结构的参数设置可以将PCF的设计作为参考，此时我们只需要设置更改如下参数：N = 0,1; Λ=0.52μm; r0 =0.12μm; d1=0.2μm。基底材料为石英，折射率n为1.444，其非线性折射率n2为2.3×10-20m2∙W-1。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (1)

1.一种低色散OAM模传输光纤，具体为一种新型的可传输多个轨道角动量光束模式的光子晶体光纤，其特征在于：
所述光子晶体光纤包括了采用圆形空气孔的中心纤芯，包覆在中心空气孔上的环形高折射率层，和依次由内到外的包层一，包层二，包层三，包层四；
所述包层一由18组微结构组成，每组微结构包括1个半径为r1的中心空气孔及4个半径为r2环绕中心空气孔对称排列的边缘空气孔；所述半径r1为0.12μm，所述半径r2为0.1μm，所述半径r3为1.0μm，所述半径r4为1.2μm，所述半径r5为1.4μm；所述每个包层和环形高折射率层的基底材料为石英，相邻包层的间距相同且每层围绕中心纤芯呈圆形对称分布；
所述包层二由18个半径为r3的圆形空气孔组成；
所述包层三由18个半径为r4的圆形空气孔组成；
所述包层四由18个半径为r5的圆形空气孔组成；
具有嵌入微结构的最内圈包层一的空气孔和渐变扩大分布的外圈包层空气孔，可支持26个轨道角动量模式传输；
在所述包层二，包层三和包层四组成的外圈包层中，采用了渐变扩大空气孔半径的结构，所述半径r3，r4，r5依次增大，提高芯包折射率差，以降低传输光束的限制损耗。
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