CN111175883B - 一种用于传输轨道角动量的超模光纤 - Google Patents

Abstract

一种用于传输轨道角动量的超模光纤，包括中央固体圆柱，内侧固体圆环，分布在固体圆环上的高折射率柱和外侧固体圆环，内侧固体圆环和高折射率柱构成环芯区域，中央固体圆柱构成内部包层区域，外侧固体圆环构成外部包层。各模式耦合单元在波长大于1.2μm时为单模传输，同时中央固体圆柱与外侧固体圆环材料相同且折射率低于内侧固体圆环背底材料，并且中央固体圆柱外边界与内侧固体圆环内边界、外侧固体圆环内边界与内侧固体圆环外边界形成具有折射率梯度的封闭边界。本发明实际可应用模式数量与理论模式数量相等，模式面积相对于环芯面积占比高，且采用全固结构，设计和拉制简单，可以应用于长距离高功率轨道角动量传输，并可以产业化。

Description

一种用于传输轨道角动量的超模光纤

技术领域

本发明涉及光纤通讯领域，尤其涉及一种用于传输轨道角动量的超模光纤。

背景技术

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。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。目前的技术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。

研究人员提出了利用环芯光纤来稳定传输轨道角动量模式，但是由于轨道角动量光纤传输模式过多，光纤传输能量强，为了降低非线性损耗，要求光纤要做到大模面积。普通环芯光纤中l阶轨道角动量模式由相位差为π/2的HE_l+1,1模式或EH_l-1,1模式的奇偶分量叠加形成。当环芯比较宽时HE_l+1,1与EH_l-1,1模式有效折射率分离并不能达到大于10^-4的条件，较低的折射率差使得HE_l+1,1与EH_l-1,1模式在光纤中传输时会发生能量耦合，增大信号串扰，因此传统环芯轨道角动量光纤存在以下矛盾：当环芯宽度较窄时，HE_l+1,1与EH_l-1,1模式有效折射率分离能达到10^-4的条件，HE_l+1,1与EH_l-1,1模式之间能量耦合弱，串扰小，但是此时模式面积小。当环芯宽度较宽时，此时模式面积大，但HE_l+1,1与EH_l-1,1模式之间能量耦合强，串扰大。

为了解决传统环芯方案的矛盾，研究人员进一步提出采用环芯超模光纤来传输轨道角动量模式；此种轨道角动量光纤的环芯含有多个以光纤中心为圆心等角分布的高折射率柱，且每个高折射率柱与光纤中心的距离相等，每个高折射率柱中均支持模式，各高折射率柱中光能量通过倏逝波耦合后，在整个芯区形成超模，超模叠加再形成轨道角动量模式。在利用传统光纤全反射效应导光的基础上，此类光纤将模式耦合机理引入光传输的控制中，此时各阶超模的模式折射率(同时也是相应轨道角动量模式的模式折射率，两者数值相同)分裂的大小与每个高折射率柱的尺寸、间距和材料折射率有较大的关系，而与环芯区域的宽度关系不大，可以在保持各阶模式间较大折射率差别的同时将模式面积增大。目前实现此类光纤主要有以下两种方案：

其中一种方案为：在纯石英圆形基底上直接引入数个以基底中心为圆心且等角分布的高折射率柱，且每个高折射率柱与基底中心的距离相等，个高折射率柱与其周围直接分布的基底材料构成一个模式耦合单元并能够传输HE_1,1模式。此方案形成轨道角动量模式的原理为：所有的模式耦合单元构成一个模式耦合阵列，阵列中模式耦合后形成超模，相位差为π/2的p阶超模或N-P阶超模的两个分量叠加构成P阶轨道角动量(N为模式耦合单元的数量，p≠0和N/2)，每阶包含4个简并的轨道角动量模式。

从折射率及超模中光场能量二维分布的角度，数个以圆形基底中心为圆心且等角分布的高折射率柱及其周围基底材料可以整体等效为一个“环芯”。但是此类光纤在实际物理结构组成上，只是在基底上引入数个高折射率柱，即在整个光纤端面上只有数个高折射率柱和基底，在折射率分布上只有高折射率柱和基底相邻的边界处有折射率变化，并没有明显的环形芯区和包层区的折射率梯度变化，更不存在实际的环形芯区和包层区边界，因此，所谓“环芯”只是由数个高折射率柱及其周围基底构成的等效“环芯”。

S.Li等人利用此方案设计了一种轨道角动量超模光纤，将6个高折射率柱以基底中心为圆心呈等角直接分布于纯石英基底材料上，且每个高折射率柱与基底中心的距离相等，各高折射率柱材料折射率同纯石英基底材料折射率之差为0.3％，每个高折射率柱与其周围直接分布的基底材料构成一个模式耦合单元并支持HE_1,1模式，所有的模式耦合单元构成一个模式耦合阵列，阵列中模式耦合后形成超模，相位差为π/2的1阶超模或5阶超模的两个分量叠加构成1阶轨道角动量模式，相位差为π/2的2阶超模或4阶超模的两个分量叠加构成2阶轨道角动量模式。该光纤支持8个轨道角动量模式，在波长1.55μm处S₂模式具有最大模式面积，值为507.40μm²(李树辉.轨道角动量及其在光通信中的应用研究[D].武汉：华中科技大学学位论文，2016：111-122.)。

此方案的主要特征在于在基底材料上只引入了数个高折射率柱，除此之外再无其它材料。折射率变化仅存在于高折射率柱和基底材料的相邻边界。其他部分均为同一材料，没有折射率梯度变化，也没有折射率梯度所导致的芯区和包层区的边界。当发生模式耦合形成超模时，每个高折射率柱中的能量将泄露到基底材料中，其模式折射率低于各高折射率柱材料折射率高于基底材料折射率，因此，各高折射率柱能量泄露到基底后，是以高折射率柱和基底材料的相邻边界为边界的倏逝波。对于利用此方案形成的轨道角动量光纤，要增加不同阶轨道角动量模式折射率差使之满足相邻超模折射率差大于10^-4的条件，就要增大各高折射率柱中模式的耦合强度，可以采用以下三种方法：降低高折射率柱与基底材料折射率之差、减小高折射率柱的尺寸、减小各高折射率柱的间距。无论降低高折射率柱与基底材料折射率之差或者减小高折射率柱的尺寸，都会造成光纤超模式折射率降低，与基底材料折射率之差小，导致光纤限制损耗高；如果减小各高折射率柱的间距，此时等效“环芯”周长降低，超模有效模式面积小；反之，若增大高折射率柱与基底材料折射率之差或增大高折射率柱的尺寸，会降低限制损耗，但此时各高折射率柱对光能量束缚增强，泄露降低，因此耦合强度减小；若增大各高折射率柱的间距，此时等效“环芯”周长增大，有效模式面积变大，但耦合强度会随之减小。耦合强度降低后，相邻超模间的折射率差将会减小，将会导致信号串扰增加。

另一种方案为：(1)在纯石英的圆形基底材料中，去除中央圆形基底材料，并引入与被去除的基底材料尺寸相同的圆形大空气孔(以下称区域1)；(2)在区域1外侧的基底材料上引入数个以基底中心为圆心且等角分布的高折射率柱(以下称区域2)，且每个高折射率柱与基底中心的距离相等；(3)在区域2外侧的基底材料上引入许多小空气孔，形成空气孔-石英的微结构(以下称区域3)。因此，此结构可以看成在同一基底材料上由内到外依次分布着中央大空气孔、等角分布的高折射率柱以及很多小空气孔。从平均折射率大小的角度看，区域1仅为一个大空气孔，此区域折射率最低(空气折射率为1.0)；区域2由基底材料及数个高折射率柱构成，其平均折射率大于基底材料折射率，小于高折射率柱材料折射率，此区域平均折射率最高；区域3由基底材料和很多空气孔构成，其平均折射率大于空气折射率，小于基底材料折射率，此区域平均折射率高于区域1，小于区域2。所以，此光纤结构可以将区域2看作环芯，区域1和区域3看成内部和外部的包层。从折射率边界条件角度，区域1仅含空气，与区域2的基底材料有封闭的折射率梯度边界；区域2和区域3均使用同一基底材料，其仅在高折射率柱与基底(区域2)或空气孔与基底(区域3)的交界处有折射率梯度边界。虽然区域2的平均折射率高于区域3的平均折射率，但是两区域有相同的基底材料构成的连通域，区域2和区域3没有实际的折射率梯度边界，只有通过平均折射率大小不同等效出的边界。从环形光纤结构角度看，环状纤芯(区域2)内边界与内部包层(区域1)有封闭边界，环状纤芯(区域2)与外部包层(区域3)存在相同基底材料的连通域，两区域没有封闭边界，模式将可能通过区域3泄露，因此此类光纤支持的模式，与传统微结构光纤一致，均为泄露模。

此方案形成轨道角动量模式的原理为：每个高折射率柱与其周围直接分布的基底材料构成一个模式耦合单元，并能够传输HE_1,1与HE_2,1模式，所有的模式耦合单元构成一个模式耦合阵列，阵列中模式耦合后形成超模。对于HE_1,1模式耦合形成的超模，相位差为π/2的p阶超模或N-P阶超模的两个分量叠加构成P阶轨道角动量(N为模式耦合单元的数量，p≠0和N/2)，每阶包含4个简并的轨道角动量模式。对于HE_2,1模式法向耦合形成的超模，相位差为π/2的p阶超模或N-P阶超模的两个分量叠加构成p+N/2阶轨道角动量(N为模式耦合单元的数量，p≠0和N/2)，每阶包含4个简并的轨道角动量模式，而切向耦合的超模无法应用。

中国专利109188598B公开了一种轨道角动量超模微结构光纤，基底为纯石英，由内到外依次为分布在同一基底上的中央大空气孔、20个以基底中心为圆心且等角分布的高折射率柱(每个高折射率柱与基底中心的距离相等)以及四层空气孔-石英的微结构包层，20个等角分布的高折射率柱与周围基底材料可以看作环芯。每个高折射率柱与其周围分布的基底材料构成一个模式耦合单元，其支持HE_1,1与HE_2,1模式，所有的模式耦合单元构成环状模式耦合阵列，阵列中模式耦合后形成超模。各高折射率柱材料折射率在1.55μm处为1.46，光纤支持60个轨道角动量模式，在1.00-1.80μm波长范围内限制损耗最低为1.363×10^-8db/km，在1.00-1.80μm波长范围内模式面积最大为661μm²。此外，在另一篇类似结构的论文中也应用了此方案，W.Wang等人设计了一种轨道角动量超模微结构光纤，基底为纯石英，由内到外依次为分布在同一基底上的中央大空气孔、20个等角分布的高折射率柱(每个高折射率柱与基底中心的距离相等)以及两层空气孔-石英的微结构包层，类似的，20个以基底中心为圆心且等角分布的高折射率柱与周围基底构成环芯，各高折射率柱材料折射率在1.55μm处为1.46，每个高折射率柱与其周围分布的基底材料构成每个模式耦合单元，其支持HE_1,1与HE_2,1模式，所有的模式耦合单元构成环状模式耦合阵列，阵列中模式耦合后形成超模。该文章论述了HE_1,1与HE_2,1模式的耦合情况，对于HE_1,1模式耦合形成的超模，相位差为π/2的1-9阶超模或19-11阶超模的两个分量叠加构成1-9阶轨道角动量，每阶包含4个简并的轨道角动量模式，因此，共有36个HE_1,1模式耦合形成的超模叠加而成的轨道角动量模式。对于HE_2,1模式法向耦合形成的超模，相位差为π/2的1-9阶超模或19-11阶超模的两个分量叠加构成11-19阶轨道角动量，每阶包含4个简并的轨道角动量模式，因此，理论上共有36个HE_2,1模式法向耦合形成的超模叠加而成的轨道角动量模式，但由于切向耦合的超模的干扰，只有20个HE_2,1模式法向耦合形成的超模叠加而成的轨道角动量模式。因此光纤共支持56个轨道角动量模式，在波长1.55μm处

具有最大模式面积，值为638.88μm²。

该方案的主要特征是内部包层为大空气孔，外部包层为微孔结构，两部分的平均折射率与纤芯的平均折射率差别都极大(与传统阶跃光纤包层、纤芯折射率差相比，是其30余倍)。主要原因为(1)为了减小模式折射率数值相邻的超模的能量串扰，一般需要两相邻模式的模式有效折射率差大于10^-4。而能够有效传导的模式，其模式折射率数值介于纤芯折射率和包层折射率数值之间。为了保证尽可能多的相邻模式的折射率差满足大于10^-4，需要尽可能增大纤芯折射率和包层折射率数值的差值，为各阶模式折射率分离提供可能空间。但是上面所述方案，其各模式耦合单元支持双模，即HE_1,1模式和HE_2,1，且都会耦合产生超模，由于能量场分布不同，造成耦合方式不同，两类超模中间存在巨大折射率差空隙。如上文中所述的W.Wang等人设计的光纤中HE_1,1和HE_2,1耦合产生的两类超模中间的折射率空隙高达2.52×10^-3，严重浪费了折射率空间。为了留有足够的折射率分裂空间，使每一类超模中的各阶模式均可满足相邻模式的折射率差满足大于10^-4的要求，不得不进一步加大芯区与包层的折射率差值；(2)各模式耦合单元支持双模，超模数量多，且高阶超模，其模式折射率数值随波长变长迅速减小。因此存在部分高阶超模在波长大于某一特定值时，其有效折射率将低于基底材料折射率的情况。由于纤芯是平均折射率数值上大于外部包层平均折射率，而在两区域基底材料仍为连通区域，两区域并没有实际的封闭边界，因此高阶模式的限制损耗将急剧加大，无法使用。因此必须选用纤芯和包层平均折射率差极高的形式。

但是该方案存在以下缺点：(1)该方案每个模式耦合单元支持双模传输，即同时支持HE_1,1与HE_2,1模式，但是HE_2,1模式的耦合分为两类，分别为切向耦合和法向耦合。由于切向耦合的超模形成的轨道角动量模式携带的拓扑电荷数量与HE_1,1模式耦合的超模形成的轨道角动量模式携带的拓扑电荷数量相同，同时切向耦合的超模之间折射率差别小于10^-4，此类超模之间能量耦合严重，串扰较高，因此无法使用此类轨道角动量模式传输信息，导致光纤中会出现大量不需要的模式。同时，低阶切向耦合产生的超模，还会与部分高阶法向耦合所产生的超模发生能量耦合，导致串扰增强，进一步导致部分法向耦合所产生的超模也无法应用，并不能达到理论的模式数量，如上文中所述的W.Wang等人设计的光纤，HE_2,1模式切向耦合的模式均不可用，法向耦合的超模中只有5组可以应用；(2)为了给各个超模留有足够的分裂空间，必须增大纤芯区域平均折射率与两侧包层平均折射率。但存在以下矛盾：纤芯区域平均折射率与两侧包层平均折射率差高，使得模式有了足够的分裂空间，但是这使得各模式耦合单元对光场的束缚能力也提高，因此光能量泄露能力下降，使得耦合强度降低，模式折射率分裂变小；反之，纤芯区域平均折射率与两侧包层平均折射率差降低，耦合强度会提高，模式折射率分裂变大，但是此时有没有足够的模式分裂空间，导致可用模式减少；(3)为了实现纤芯与包层区域的高折射率差，由于内部包层位于整个光纤内侧，直接使用空气孔即可。但是外部包层同时需要起到光纤保护层的作用，因此无法直接用空气替代，而折射率差大的不同材料，物理性能又无法匹配，无法满足实际光纤制作的要求。因此在外部包层，该方案采用了空气孔-石英构成的微结构包层，即在基底材料中引入很多微空气孔来降低此区域的平均折射率。这就造成了纤芯与与微结构包层区域具有连通的同一基底，环芯外边界不是封闭的，连通的基底材料构成细小的泄露通道，使此光纤支持的模式成为泄漏模式，即微结构包层内不是逐渐减小的倏逝场，而是不断通过基底通道泄漏，再借助微小空气孔反射回来的模式。利用此种方式构造外包层，当外包层空气填充率高时，基底材料占比少，泄漏通道小，环芯与外包层折射率差大，使得光纤对光场束缚能力强，损耗低，但会减小模式面积；当外包层空气填充率低时，基底材料占比高，泄漏通道宽，环芯与外包层折射率差小，此时增大了模式面积，但光纤对光场束缚能力弱，损耗高，如W.Wang等人设计的光纤中在损耗满足传输要求的同时1.55μm处最大模式面积为638.88μm²，即使所有工作波长上最大的模式面积也只为664.60μm²，这明显小于环芯区域的面积(大约为1100μm²)；(4)微结构包层众多空气孔还存在着制备困难，拉制过程容易形变，均一性不容易控制等缺点，同时，多孔结构的长期稳定性较弱。因此，以上一系列缺点和矛盾决定了，即使该方案支持的轨道角动量模式数量很多，但光纤难以稳定传输和实际应用。

发明内容

为了解决上述方案出现的问题和矛盾，本发明的目的在于提供一种环芯内外边界与内外部包层采用封闭边界条件、环芯与两侧折射率差低的全固态结构的一种用于传输轨道角动量的超模光纤。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种用于传输轨道角动量的超模光纤，所述光纤包括中央固体圆柱和设置在中央固体圆柱外侧的内侧固体圆环，以及设置在内侧固体圆环外侧的外侧固体圆环，且所述内侧固体圆环上轴向设置有等角分布的高折射率柱；所述中央固体圆柱构成光纤的内部包层区域，所述内侧固体圆环和高折射率柱构成光纤的环芯区域，所述外侧固体圆环构成光纤的外部包层区域，且所述环芯区域中高折射率柱材料、环芯区域的基底材料、内部包层区域和外部包层区域材料形成折射率不断降低的三级折射率台阶的光纤结构，同时，内部包层区域的方法外边界与环芯区域的内边界、外部包层区域的内边界与环芯区域的外边界均构成封闭边界。

进一步的，所述环芯区域内以中央固体圆柱中心为圆心等角排列有11—15个高折射率柱，且所述各高折射率柱与中央固体圆柱中心的距离相等，该距离Λ₀的范围为12.8-13.2μm。

进一步的，所述内部包层区域和外部包层区域的材料折射率相等，且它们的折射率n₀在波长1.55μm时的范围为1.438-1.442。

进一步的，所述中央固体圆柱的半径即内侧固体圆环的内半径R₀的范围为8.8-9.2μm，所述内侧固体圆环的外半径即外侧固体圆环的内半径R₁的范围为16.8-17.2μm，外侧固体圆环的外半径R₂的范围为49.8-50.2μm；

进一步的，所述环芯区域中的各高折射率柱的半径r₀的范围为2.8-3.2μm，所述高折射率柱的折射率n₂在波长1.55μm时的范围为1.450-1.454，所述内侧固体圆环的折射率n₁在波长1.55μm时的范围为1.442-1.446，同时满足归一化频率

在波长λ大于1.2μm时小于2.4048的限定。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明没有HE2,1耦合产生的超模，不存在各类超模间的大折射率间隙，不存在各模式耦合单元中HE2,1模式切向耦合的情况，没有不可用模式，也没有与可用模式发生耦合、增大串扰的情况，光纤中实际模式数量与理论模式数量一致。

2、本发明采用“环芯区域中高折射率柱，换新区域中基底材料、内部区域和外部包层区域中材料形成折射率不断降低的三级折射率台阶的光纤结构”，同时利用各模式耦合单元支持基模、环芯与内外两侧折射率差低的方案，各模式耦合单元光能量泄露增强，模式耦合强度相对于现有技术方案高，超模组之间的折射率分裂高于现有技术方案，同时，本发明模式面积相对于环芯面积占比高，对于环芯空间应用相对于现有技术方案更加充分。

3、本发明采用“环芯区域中高折射率柱，换新区域中基底材料、内部区域和外部包层区域中材料形成折射率不断降低的三级折射率台阶的光纤结构”，结合封闭边界条件的技术方案，可以做到在耦合强度大且模式面积大的情况下限制损耗低。

4、本发明采用全固结构，没有数个空气孔构成的微结构包层，结构简单，同时由于各结构材料之间折射率差小，因此可以基于同一种玻璃材料进行掺杂，这使得光纤在拉制过程中形变小，形状以及均一性控制效果好，大大降低了工艺成本。

附图说明

图1为本发明所提出的一种用于传输轨道角动量的超模光纤的一个实施例的整体结构示意图；

图2为图1的四分之一结构示意图；

图3为本发明超模组有效折射率随波长变化的曲线图；

图4为本发明相邻超模组之间有效折射率差随波长变化的曲线图；

图5为本发明超模组限制损耗随波长变化的曲线图；

图6为本发明超模组模式面积随波长变化的曲线图。

具体实施方式

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。

参见图1和图2，本发明所提出的一种用于传输轨道角动量的超模光纤，包括由中央向外依次设置的中央固体圆柱1、内侧固体圆环2，轴向等角分布在内侧固体圆环2上的高折射率柱3和外侧固体圆环4，所述中央固体圆柱1构成光纤的内部包层区域，所述内侧固体圆环2和高折射率柱3构成光纤的环芯区域，所述外侧固体圆环4构成光纤的外部包层区域。

所述中央固体圆柱1的半径R₀＝8.8-9.2μm，本实施例中R₀＝9μm，且所述中央固体圆柱1材料在波长为1.55μm时，其折射率n₀＝1.438-1.442，本实施例中n₀＝1.440；所述内侧固体圆环2的内半径与中央固体圆柱1的半径相等，即R₀＝8.8-9.2μm，本实施例中R₀＝9μm，所述内侧固体圆环2的外半径R₁＝16.8-17.2μm，本实施例中R₁＝17μm，且所述内侧固体圆环2材料在波长为1.55μm时，其折射率n₁＝1.442-1.446，本实施例中n₁＝1.444；所述高折射率柱3中心与中央固体圆柱1中心的距离Λ₀＝12.8-13.2μm，本实施例中Λ₀＝13μm，所述高折射率柱3的半径r₀＝2.8-3.2μm，本实施例中r₀＝3μm，所述高折射率柱3材料在波长为1.55μm时，其折射率n₂＝1.450-1.454，本实施例中n₂＝1.452，且所述高折射率柱3的数量N一般为11-15个，本实施例中N＝13；所述外侧固体圆环4的内半径与内侧固体圆环2的外半径相等，即R₁＝16.8-17.2μm，本实施例中R₁＝17μm，所述外侧固体圆环4的外半径R₂＝49.8-50.2μm，本实施例中R₂＝50μm，所述外侧固体圆环4材料与中央固体圆柱1材料相同，即在波长为1.55μm时，其折射率n₀＝1.438-1.442，本实施例中n₀＝1.440。从各区域折射率大小的角度看，内部包层区域和外部包层区域为低折射率固体圆柱和固体圆环，两部分折射率相同且折射率最低；环芯区域由内侧固体圆环2和数个高折射率柱3构成，数个高折射率柱3的折射率高于内侧固体圆环2材料折射率，而内侧固体圆环2材料折射率又高于中央固体圆柱1和外侧固体圆环4材料折射率，因此，环芯区域中各部分的材料折射率均高于内部包层区域及外部包层区域，其平均折射率也大于内部包层区域和外部区域；所述高折射率柱3、内侧固体圆环2、中央固体圆柱1和外侧固体圆环4材料形成折射率不断降低的三级折射率台阶的光纤结构。从折射率边界条件角度看，内部包层区域、环芯区域和外部包层区域并非分布于一个基底材料上，没有同一基底材料的连通区域，各区域是嵌套关系，由高折射率柱3向两侧折射率依次降低，各区域在光纤端面上形成明显且实际存在的折射率梯度边界。从环形光纤结构角度看，中央固体圆柱1是封闭的，外侧固体圆环4的内边界也是封闭的，中央固体圆柱1与外侧固体圆环4均没有与环芯区域基于同一材料的连通域，因此，环芯区域与内部包层区域和外部包层区域均有封闭边界，该方案中的环芯区域是严格意义上真正的环芯，其支持的模式是限制模式而非泄露模式，依靠全反射方式引导光传输，在包层内光场是倏逝场，沿着包层向外能量降低。

参见图3，为本发明各超模组的折射率随波长变化的曲线图，本发明没有HE2,1耦合产生的超模，不存在各类超模间的大折射率间隙，不存在各模式耦合单元中HE2,1模式切向耦合的情况，没有不可用模式，也没有与可用模式发生耦合、增大串扰的情况，光纤中实际模式数量与理论模式数量一致。如图所示，本发明只有HE1,1模式耦合出的超模，光纤支持6阶轨道角动量，共24个轨道角动量模式，与理论模式数量一致。

参见图4，为本发明超模组之间折射率差随波长变化的曲线图，本发明采用各模式耦合单元支持基模、环芯与内外两侧折射率差低的方案，各模式耦合单元光能量泄露增强，模式耦合强度高，超模组之间的有效折射率差大，如图所示，本发明在1.2μm处

与

有最小的有效折射率之差，值为2.35×10-4。

参见图5，为本发明超模组限制损耗随波长变化的曲线图，本发明外部包层区域采用低折射率固体材料，相对于环芯区域形成了封闭边界，环芯区域中的模式是通过全内反射方式形成的限制模，在外部包层区域内均是倏逝场，而不是微结构包层时的泄露模，以达到可以通过增大包层厚度来降低限制损耗的技术效果，如图所示，本发明在1.7μm处

拥有最大的限制损耗，值为8.52×10-3dB/km，小于10-2dB/km，满足传输要求。

参见图6，为本发明超模组模式面积随波长变化的曲线图，本发明采用各模式耦合单元支持基模、环芯区域与内外两侧折射率差低的方案，其能量向内部包层区域和外部包层区域的泄露高于目前的技术方案，因此，模式面积相对于环芯区域空间的占比相对于目前技术方案更高，如图所示，1.55μm处

拥有最大的模式面积，值为595.54μm2，相对于环芯区域面积占比超过了90％。

本发明形成轨道角动量模式的原理为：每个高折射率柱3与其周围直接分布的材料构成一个模式耦合单元，其支持HE1,1模式，所有的模式耦合单元构成环状模式耦合阵列，阵列中模式耦合后形成超模，相位差为π/2的p阶超模或(N-1)/2阶超模的两个分量叠加构成P阶轨道角动量(N为模式耦合单元的数量，p≠0)，每阶包含4个简并的轨道角动量模式。

本发明主要特点为：(1)每个模式耦合单元支持HE1,1模式，即只有HE1,1模式进行耦合，以达到没有多类超模间大折射率间隙的技术效果；同时，采用各模式耦合单元单模的方案，不存在各模式耦合单元中HE2,1模式切向耦合的情况，以达到耦合后光纤中没有不可用模式，同时也没有与可用模式发生能量耦合、增大串扰的技术效果，光纤中实际模式数量与理论模式数量一致；(2)环芯区域中所有材料折射率均高于内部包层区域和外部包层区域，且环芯区域中各模式耦合单元支持基模，因此基模以环芯区域中高折射率柱3为芯，以环芯区域中背底材料为内包层，以内部包层区域和外部包层区域为外包层，环芯区域中高折射率柱3，环芯区域中背底材料、内部包层区域和外部包层区域中材料形成折射率不断降低的三级折射率台阶的双包层结构；同时，只有HE1,1模式耦合得到的超模，没有HE2,1模式耦合得到的超模，所以，所有超模模式折射率都高于内部包层区域和外部包层区域折射率，且受到环芯区域中高折射率柱芯与环芯区域中背底的折射率梯度，环芯区域背底与内部包层区域和外部包层区域材料的折射率梯度等两次折射率梯度台阶的限制，以达到限制损耗低的技术效果；同时各模式耦合单元支持基模的方案，相对于双模方案，环芯区域中高折射率柱芯对光能量束缚能力较低，光能量向高折射率柱芯外部的环芯区域外的泄露能力增强，以达到耦合强度增大，使得模式分裂增强，同时增大模式面积的技术效果的技术效果。(3)光纤各模式耦合单元支持单模，模式数量少，留有的分裂空间可以小，环芯区域与内外两侧折射率差低，增大了光能量的泄露，以达到增大耦合强度从而增大模式分裂的技术效果，同时环芯区域与内外两侧折射率差低造成光能量向内部和外部包层泄露加强使得模式面积进一步增大，以达到模式面积相对于环芯面积高占比的技术效果；(4)外部包层采用低折射率固体材料，相对于环芯区域形成了封闭边界，因此环芯区域中的模式是通过全内反射方式形成的限制模，在外部包层内均是倏逝场，而不是微结构包层时的泄露模，以达到可以通过增大包层厚度来降低限制损耗的技术效果，因此，本发明可以做到在耦合强度大且模式面积大的情况下限制损耗低。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于传输轨道角动量的超模光纤，其特征在于：所述光纤包括中央固体圆柱和设置在中央固体圆柱外侧的内侧固体圆环，以及设置在内侧固体圆环外侧的外侧固体圆环，且所述内侧固体圆环上轴向设置有等角分布的高折射率柱；所述中央固体圆柱构成光纤的内部包层区域，所述内侧固体圆环和高折射率柱构成光纤的环芯区域，所述外侧固体圆环构成光纤的外部包层区域，且所述环芯区域中高折射率柱材料、环芯区域的基底材料、内部包层区域材料形成折射率不断降低的三级折射率台阶的光纤结构；环芯区域中高折射率柱材料、环芯区域的基底材料、外部包层区域材料也形成折射率不断降低的三级折射率台阶的光纤结构，同时，内部包层区域的外边界与环芯区域的内边界、外部包层区域的内边界与环芯区域的外边界均构成封闭边界。

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光纤，其特征在于：所述环芯区域内以中央固体圆柱中心为圆心等角排列有11—15个高折射率柱，且所述各高折射率柱与中央固体圆柱中心的距离相等，该距离Λ₀的范围为12.8-13.2μm。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于传输轨道角动量的超模光纤，其特征在于：所述内部包层区域和外部包层区域的材料折射率相等，且它们的折射率n₀在波长1.55μm时的范围为1.438-1.442。

4.根据权利要求3所述的一种用于传输轨道角动量的超模光纤，其特征在于：所述中央固体圆柱的半径即内侧固体圆环的内半径R₀的范围为8.8-9.2μm，所述内侧固体圆环的外半径即外侧固体圆环的内半径R₁的范围为16.8-17.2μm，外侧固体圆环的外半径R₂的范围为49.8-50.2μm。

5.根据权利要求4所述的一种用于传输轨道角动量的超模光纤，其特征在于：所述环芯区域中的各高折射率柱的半径r ₀的范围为2.8-3.2μm，所述高折射率柱的折射率n ₂在波长1.55μm时的范围为1.450-1.454，所述内侧固体圆环的折射率n ₁在波长1.55μm时的范围为1.442-1.446，同时满足归一化频率

在波长λ大于1.2μm时小于2.4048的限定。

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