CN110673264A - 一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器 - Google Patents

Abstract

一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器。包括在给定中心波长为λ的波段内支持N个轨道角动量模式传输的中间环形纤芯、背景材料和分布在环形纤芯周围的n个仅支持基模传输的单模纤芯，n＝2N，分为N对。单模纤芯与环形纤芯的折射率均高于背景材料。每一对单模纤芯内的两个单模纤芯的半径、与背景材料的折射率差及与环形纤芯的间距均相等，且与耦合器中心的夹角为(2m+1)π/2l，m＝0,1,2…(l‑1)，l为该单模纤芯对向中间环形纤芯耦合的轨道角动量模式的阶次。本发明将单模纤芯内N对单模信号复用到中间环形纤芯内N个轨道角动量模式，实现了模分复用，从而增加了光纤通信系统传输的容量。

Description

一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器

技术领域

本发明涉及一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器，用于实现多个轨道角动量模式的复用，在空分复用传输系统中具有重要应用价值。

背景技术

近些年来，移动互联网、物联网、云计算数据中心等带宽消耗型业务不断增多，这给现有的通信系统提出巨大挑战。所以如何持续提高通信系统容量，以满足不断增长的通信容量需求，成为光通信亟待解决的问题。近些年来，解决这一问题的办法主要包含有波分复用、时分复用、偏分复用、正交频分复用等复用技术和m阶相移键控、m阶正交幅度调制等信号先进高级调制技术。但是这些技术对光波的时间、波长/频率、幅度/相位等的利用已经发展到近乎极致的地步。特别的，随着接近单模光纤非线性香农极限传输容量的实现，使得这些技术提升通信容量的空间进一步减少，所以我们需要寻找新的维度资源来提高通信容量。上述技术已经利用了光波的时间、波长、频率、相位、幅度等维度资源，现在只剩下空间分布这一维度资源还未被使用，对应的复用技术即空分复用技术。空分复用技术中采用正交模式的模分复用技术的最重要的元器件就是模分复用/解复用器。

常用的轨道角动量模式(OAM)复用器主要分为两大类，一种是基于空间元器件，包含有空间相位盘法、空间光调制器、q板等，这类方法的缺点在于插损大、装置体积较大、不利于集成。另一种是基于全光纤器件，这类器件主要包含有长周期光纤光栅、模式选择耦合器以及光子灯笼等。前两种器件的缺点在于一个器件只能将基模转化到特定的一个轨道角动量模式，如果要实现N个轨道角动量模式的复用，需要级联N个长周期光纤光栅或模式选择耦合器。而光子灯笼虽然可以实现多个轨道角动量模式的同时复用，但其制作难度随着复用模式数量的增加也会大大增加。特别的，轨道角动量模式的复用还需要偏振控制等元器件来调控激发相应的轨道角动量模式，这一点是十分困难的。所以设计一种特定的光纤器件-基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器来复用多个轨道角动量模式对空分复用传输系统具有重大意义的。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对当前基于空间元器件的轨道角动量模式复用器插损大、不利于集成，基于长周期光纤光栅和模式选择耦合器的轨道角动量模式复用器需要级联多个器件，以及光子灯笼的制作难度随着复用模式数量增加而增加等现状，提出一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器。

本发明采用的技术方案是：

一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器，包括在给定中心波长为λ的波段内，支持N个轨道角动量模式传输的中间环形纤芯(1)、背景材料(2)和n个仅支持基模传输的单模纤芯(3)，其中n＝2N，单模纤芯(3)与中间环形纤芯(1)的折射率均高于背景材料折射率。n个单模纤芯(3)分布在中间环形纤芯(1)外周围。单模纤芯(3)可以分为N对，用于向中间环形纤芯(1)耦合N个不同阶次的轨道角动量模式。每一对单模纤芯内的两个单模纤芯的半径、两个单模纤芯与背景材料的折射率差以及两个单模纤芯与中间纤芯的间距均一样，并且两个单模纤芯与耦合器中心的夹角为(2m+1)π/2l，其中m＝0,1,2…(l-1)，l为该单模纤芯对向中间环形纤芯(1)耦合的轨道角动量模式的阶次。所述中间环形纤芯(1)，既包括常用的形状为圆形的环形纤芯，又包括形状为椭圆形的环形纤芯。

所述支持N个轨道角动量模式传输的中间环形纤芯的具体参数确定过程如下：

在给定中心波长为λ的波段内，利用有限元方法能够分析出给定的任意环形纤芯平均半径R、环芯光纤的厚度W以及环形纤芯与背景材料折射率差的情况下，该环形纤芯内能支持传输的本征模式的数量。光纤内的本征模式根据其传播常数可以分为L个模组，每个模组内包含有四个或者两个简并模式，即

和

模式或者

和

模式。而轨道角动量模式可以由

或者构成，所以由此能够确定中间环形纤芯的平均半径R和厚度W以及环形纤芯与背景材料的折射率差，使环形纤芯支持N个轨道角动量模式传输。

上述技术方案中，分布在中间环形纤芯周围的单模纤芯的半径以及单模纤芯与背景材料的折射率差等参数的具体确定过程如下：

分布在中间环形纤芯周围的单模纤芯根据其耦合的轨道角动量模式的阶次可以分为N对单模纤芯对，每对单模纤芯的两个单模纤芯的半径，以及两个单模纤芯与背景材料的折射率差均相等。对于单模纤芯内所能支持传输的LP模式数量是由归一化频率V所决定的，V可以由下面公式表示：

其中λ为给定中心波长，a为单模纤芯半径，n₁和n₂分别为单模纤芯以及背景材料的折射率。当V<2.405时，此单模纤芯内仅支持基模传输；当V>2.405时，此单模纤芯内支持更高阶的模式传输。所以，根据上式可以确定相应单模纤芯的半径以及单模纤芯与背景材料的折射率差的范围，使单模纤芯仅支持基模传输。然后利用有限元法可以分析出当改变单模纤芯的半径或者单模纤芯与背景材料的折射率差时，单模纤芯对支持传输的基模对和中间环形纤芯支持传输的对应阶次的轨道角动量模式在给定中心波长为λ的波段内是否满足相位匹配条件，由此可以确定出不同单模纤芯对的纤芯半径以及不同单模纤芯对与背景材料折射率差等参数，使得对应单模纤芯对内的基模对与环形纤芯内对应阶次的轨道角动量模式在给定中心波长为λ的波段内满足相位匹配条件。

上述技术方案中，分布在环形纤芯周围的单模纤芯对与环形纤芯之间的间距的具体确定过程如下：

在给定波长、给定的环形纤芯平均半径R、环形纤芯的厚度W以及环形纤芯与背景材料的折射率差、单模纤芯的半径a和单模纤芯与背景材料的折射率差的条件下，利用有限元方法以及Matlab可以计算出给定任意单模纤芯与中间环形纤芯间距下对应的耦合轨道角动量模式的耦合效率、纯度以及耦合长度。对于所有单模纤芯与中间环形纤芯的间距应该满足一下几个条件：(1)耦合的轨道角动量模式的最大耦合效率均要超过99％；(2)耦合的轨道角动量模式的纯度均要超过99％；(3)耦合的轨道角动量模式的耦合长度均要相等。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器。本发明解决了传统基于空间元器件的轨道角动量模式复用器插损大不利于集成，基于长周期光纤光栅和模式选择耦合器的轨道角动量模式复用器需要级联多个器件以及光子灯笼的制作难度随着复用轨道角动量模式数量增加而增加等缺点，该器件具有结构简单，结构参数设计灵活，模拟方法简单，能同时复用多个模式，低损耗、以及与现有的光纤通信系统有较好的兼容性等优点。

本发明在空分复用传输系统中具有重要的实用价值。

附图说明

图1为一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器的N＝4示例截面图，其中1为中间环形纤芯，2为背景材料，3为单模纤芯。

图2为基于图1所示的轨道角动量模式复用耦合器N＝4示例计算得到的8个OAM模式的耦合效率随波长的变化曲线，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为二阶、三阶、四阶、五阶OAM模式的耦合效率随波长的变化曲线，实线和虚线表示OAM模式分别是由和

构成的。

图3为基于图1所示的轨道角动量模式复用耦合器N＝4示例计算得到的8个OAM模式的纯度随波长的变化曲线。其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为二阶、三阶、四阶、五阶OAM模式的纯度随波长的变化曲线，实线和虚线表示OAM模式分别是由

和

构成的。

具体实施方式

以下结合附图，以设计一种基于微结构光纤实现4个OAM模组16个OAM模式复用的OAM模分复用耦合器为例对本发明作进一步说明，附图仅用于示例目的，而不是限制本发明的适用范围。

如图1和2所示，基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器，包括在给定中心波长为λ的波段内，支持N个轨道角动量模式传输的中间环形纤芯(1)、背景材料(2)和n个仅支持基模传输的单模纤芯(3)，其中n＝2N，本发明实施例中取N＝4，n＝8。下面分别就中间环形纤芯和单模纤芯各参数的确定过程说明如下。

首先，构成轨道角动量模式复用解复用耦合器的背景材料为二氧化硅。其次构成轨道角动量模式复用解复用耦合器的环形纤芯，其折射率分布满足：

其中R和W的取值分别为7.6和3.8微米，α选取为2，n_max-n_min为0.025。利用有限元算法计算得到基于上述参数的中间环形纤芯可以支持5个OAM模组的传输，即OAM₁-OAM₅。

由于一个单模纤芯只能将基模耦合到

或者模式，所以需要两个半径以及折射率大小相同的单模纤芯用于激发对应的OAM模式。同时两个单模纤芯与耦合器中心的夹角需满足(2m+1)π/2l，其中m＝0,1,2…(l-1)，l为该单模纤芯对向中间环形纤芯(1)耦合的轨道角动量模式的阶次。所以，要实现四个模组(即N＝4)的复用，分布在环形纤芯周围的单模纤芯数量应该为8个，分成4对，这4对单模纤芯按图1所示分布方式分布在中间环形纤芯周围，用于实现4个OAM模组16个OAM模式的复用。其中纤芯1-1和1-4用于耦合二阶OAM模式，纤芯1-6和1-8用于耦合三阶OAM模式，纤芯1-3和1-5用于耦合四阶OAM模式，纤芯1-2和1-7用于耦合五阶OAM模式。

然后单模纤芯的半径均固定为2微米，利用有限元法可以分析得到对应单模纤芯对内基模对与环形纤芯对应阶次OAM模式的满足相位匹配条件的谐振波长随单模纤芯的折射率的变化曲线，从而可以确定4对单模纤芯对的折射率使得4个OAM模组的谐振波长均落在波长为1550nm附近。

然后，利用有限元算法可以计算得到各耦合OAM模式的耦合长度随对应单模纤芯和中间纤芯的间距的变化曲线，由此可以选择合适的间距使得四个OAM模组的耦合长度一样。本示例确定的四对单模纤芯的折射率分布以及其与中间环形纤芯的间距大小如表1所示。

表1：参数表

其中△n_l-1(l＝2-5)为对应单模纤芯对的折射率与微结构光纤包层折射率的差，d_l-1为对应单模纤芯对与中间环形纤芯的间距，l为对应耦合的轨道角动量模式的阶次。

然后利用有限元算法以及相关运算可以得到相应耦合OAM模式的耦合效率以及每个OAM模式的纯度随波长的变化曲线，如图2和图3所示。其中，当基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器的耦合长度选取为3670微米时，二阶到五阶OAM模式的最大耦合效率均大于99％，同时在计算的波段范围内，二阶到五阶OAM模式的纯度均高于99％。

综上所述，本发明提出了一种基于微结构光纤实现4个OAM模组16个OAM模式复用的OAM模分复用耦合器，其中环形纤芯的折射率分布满足公式(1)，环形光纤的R和W分别选取为7.6和3.8微米，α为2，n_max-n_min约为0.025；四对单模纤芯的半径均选取为2微米，纤芯1-1和1-4之间的夹角为3π/4，纤芯1-6和1-8之间的夹角为π/2，纤芯1-3和1-5之间的夹角为5π/8，纤芯1-2和1-7之间的夹角为7π/10,；四对单模纤芯与背景材料的折射率差以及其与中间环形纤芯的间距选取的大小如表1所示，耦合长度选取为3670微米。基于微结构光纤实现4个OAM模组16个OAM模式复用的OAM模分复用耦合器成功解决了传统基于空间元器件的模分复用器插损大不利于集成，基于长周期光纤光栅和模式选择耦合器的模分复用器需要级联多个器件以及光子灯笼的制作难度随着复用模式数量增加而增加等缺点，该模式复用耦合器具有结构简单，结构参数设计灵活，模拟方法简单，能同时复用多个模式，低损耗、以及与现有的光纤通信系统有较好的兼容性等优点。

本示例所述仅为本发明使用情形的一例而已，中间的环形纤芯也不限制于圆形的环形纤芯，且支持的轨道角动量模式也不限于5个，周围的单模纤芯对的数量也不限于4个，构成轨道角动量模式复用耦合器的材料不受限于传统的二氧化硅材料，工作的波段也不限制于传统的通信波段，凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器，其特征是，包括在给定中心波长为λ的波段内，支持N个轨道角动量模式传输的中间环形纤芯(1)、背景材料(2)和n个仅支持基模传输的单模纤芯(3)，其中n＝2N，单模纤芯(3)与中间环形纤芯(1)的折射率均高于背景材料，n个单模纤芯(3)分布在中间环形纤芯(1)周围；单模纤芯(3)可以分为N对，用于向中间环形纤芯(1)耦合N个不同阶次的轨道角动量模式；每一单模纤芯对内的两个单模纤芯的半径、两个单模纤芯与背景材料的折射率差以及与中间纤芯的间距均相等，并且两个单模纤芯与耦合器中心的夹角为(2m+1)π/2l，其中m＝0,1,2…(l-1)，l为该单模纤芯对向中间环形纤芯(1)耦合的轨道角动量模式的阶次。

2.根据权利要求书1所述的一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器，其特征是：所述支持N个轨道角动量模式传输的中间环形纤芯(1)，既包括常用的形状为圆形的环形纤芯，又包括形状为椭圆形的环形纤芯。

3.根据权利要求1所述的一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器，其特征是：所述背景材料(2)的折射率，应当是给定波长λ对应的材料折射率。

4.根据权利要求1所述的一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器，其特征是：中间环形纤芯(1)的平均半径R和环芯厚度W以及中间环形纤芯(1)与背景材料(2)的折射率差的确定方法是，在给定中心波长为λ的波段内，利用有限元方法分析出给定的任意R、W以及环形纤芯与背景材料折射率差的情况下，该环形纤芯内能支持传输的本征模式的数量，光纤内的本征模式根据其传播常数可以分为L个模组，每个模组内有四个或者两个简并模式，即

和

模式或者

和

模式；轨道角动量模式由或者

构成，所以由此能够确定中间环形纤芯的几何参数R和W以及环形纤芯与背景材料的折射率差，使环形纤芯支持N个轨道角动量模式传输。

5.根据权利要求4所述的一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器，其特征是：分布在中间环形纤芯周围的单模纤芯(3)对的半径a以及单模纤芯(3)与背景材料(2)的折射率差确定方法是，在给定中心波长为λ的波段内，单模纤芯内所能支持传输的模式数量是由归一化频率V所决定的，V的表达式如下：

其中λ为给定中心波长，a为单模纤芯半径，n₁和n₂分别为单模纤芯以及背景材料的折射率；当V<2.405时，此单模纤芯内仅支持基模传输；当V>2.405时，此单模纤芯内支持更高阶的模式传输；基于此能够确定在给定中心波长为λ的波段内仅支持基模传输的单模纤芯的半径范围以及单模纤芯与背景材料的折射率差范围；然后通过改变单模纤芯的半径或者单模纤芯与背景材料折射率差使得单模纤芯对中基模对与中间环形纤芯对应的高阶轨道角动量模式在给定中心波长为λ的波段内满足相位匹配条件。

6.根据权利要求5所述的一种基于微结构光纤的轨道角动量模式复用解复用耦合器，其特征是：单模纤芯(3)对与中间环形纤芯(1)的间距的确定方法是，在给定波长、权利要求4给定的环形纤芯平均半径R、环形纤芯的厚度W以及环形纤芯与背景材料的折射率差、权利要求5给定的单模纤芯半径a和单模纤芯与背景材料的折射率差的条件下，利用有限元方法以及Matlab能够计算出给定任意单模纤芯与中间环形纤芯间距下对应的耦合轨道角动量模式的耦合效率、纯度以及耦合长度；对于所有单模纤芯与中间环形纤芯的间距应该满足以下几个条件：(1)耦合的轨道角动量模式的最大耦合效率均要超过99％；(2)耦合的轨道角动量模式的纯度均要超过99％；(3)耦合的轨道角动量模式的耦合长度均要相等。

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