CN111913250B - 基于双环谐振的oam模式色散补偿微结构光纤 - Google Patents

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Abstract

一种基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，包括纤芯和包层两部分，纤芯中心为一个半径为r的空气孔，基底材料为纯二氧化硅，其特征在于：所述纤芯部分为双环结构，该结构分别由半径为r1的高折射率内环和内、外半径分别为r2和r3的高折射率外环构成，所述包层部分由内、外包层组成，内包层空气孔半径为r4，孔间距为Λ2，外包层空气孔直径为d，孔间距为Λ1。本发明既可支持OAM模式的长距离稳定传输，又具有高负色散特性，适用于光纤轨道角动量模式通信系统的色散补偿。

Description

基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别是一种基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤。
背景技术
近年来，在空间光通信与光纤通信领域，轨道角动量(Orbital AngularMomentum,OAM)光束因其独特的光学特性成为国内外的研究热点并具有重要的研究价值和广阔的应用前景。在其传播方向上，不同拓扑荷值l的OAM光束彼此正交，可以作为独立的通道分别携带不同的光信息进行传输，大大提高了光通信的信息容量。
在光纤通信领域，以OAM模式为基础的光纤通信系统是目前的研究热点。然而，受限于OAM模式的特殊光学特性，目前已报道的高速大容量OAM光纤通信系统的传输距离都较近。随着传输速率和传输距离的增加，色散成为了限制通信距离、通信质量和传输带宽的主要因素。因此要实现长距离大容量全光纤OAM通信，最关键的问题之一便是解决OAM光纤通信系统的色散问题。
在传统光纤通信系统中，色散补偿技术已经发展的较为成熟，包括激光预啁啾、中途谱反转、啁啾光纤光栅、色散补偿微结构光纤技术等。然而，传统光纤通信系统的色散补偿技术无法直接应用于OAM通信系统。与光纤中普通的LP模式或矢量模式不同，OAM模式以相位差为π/2的奇偶矢量或LP模式叠加而成。在传统光纤器件中，普通矢量简并模式随着光纤传输及外界影响很容易发生相互转化，无法保持OAM模式螺旋相位的稳定性。因此，OAM模式在普通光纤及传统色散调控器件中无法稳定传输。
要实现对光纤OAM模式进行色散补偿及调控，不仅需要对OAM模式的色散起到补偿和调控作用，而且要支持OAM模式的稳定传输，保证光纤各个矢量模式的有效折射率差在10-4以上，且奇偶模式相互简并，避免矢量模式之间的相互耦合。传统光纤受限于单一而固有的特性，通常很难兼顾色散补偿与OAM模式稳定传输的功能，更难实现对补偿范围、工作波长、模式种类、工作带宽等特性的选择性调控。因此，研发一种新型光纤OAM模式调控技术是目前光纤OAM模式通信系统亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对光纤OAM模式的色散补偿问题，设计了一种基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，该光纤既可支持OAM模式的长距离稳定传输，又具有高负色散特性，适用于光纤轨道角动量模式通信系统的色散补偿。
如上构思，本发明的技术方案是：一种基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，包括纤芯和包层两部分，纤芯中心为一个半径为r的空气孔，基底材料为纯二氧化硅，其特征在于：所述纤芯部分为双环结构，该结构分别由半径为r1的高折射率内环和内、外半径分别为r2和r3的高折射率外环构成，所述包层部分由内、外包层组成，内包层空气孔半径为r4，孔间距为Λ2，外包层空气孔直径为d，孔间距为Λ1。
进一步，所述高折射率内环和高折射率外环由掺杂二氧化硅构成。
进一步，所述高折射率内环的折射率n1和高折射率外环的折射率n2的取值范围为0＜n1-n0＜0.08,0＜n2-n0＜0.08，，其中n0为纯二氧化硅折射率。
进一步，所述空气孔半径r、高折射率内环半径r1和高折射率外环内、外半径r2和r3的取值范围为0μm≤r＜r1＜r2＜r3＜40μm。
进一步，所述光纤内包层空气孔半径r4的取值范围为0μm≤r4＜4μm，孔间距Λ2的取值范围为0μm≤Λ2≤15μm。
进一步，所述外包层空气孔的直径d＝3.4μm，孔间距Λ1＝4μm。
本发明具有如下的优点和积极效果：
1、与传统色散补偿技术相比，本发明中对应矢量模式的有效折射率差在10-4以上，且奇偶模式相互简并，能够支持OAM模式的长距离稳定传输。
2、本发明微结构光纤利用双环谐振原理，实现了OAM模式的超高负色散特性，可用于光纤OAM模式的色散补偿。
3、本发明通过改变光纤双环结构参数，可以实现对多个不同OAM模式(包括并不限于
Figure BDA0002590998480000021
和
Figure BDA0002590998480000022
等OAM模式)进行色散补偿。
4、本发明通过调节光纤内包层空气孔尺寸，可以调控OAM模式的色散大小，从而调控光纤的色散补偿特性。同时，内包层空气孔也可以填充折射率可调的功能型材料来实现对色散补偿特性的动态调控。
5、本发明可用于长距离大容量全光纤OAM通信系统的色散补偿及制造新型OAM光通信系统相关器件。
附图说明
图1为本发明的横截面示意图；
图2为本发明中内环和外环可支持传输的两种本征模式的有效折射率谐振曲线图，其中，图2-1为本征模式EH11的有效折射率谐振曲线图，图2-2为本征模式HE31的有效折射率谐振曲线图；
图3为OAM21模式在不同光纤传输距离情况下的模场变化图；
图4为本发明中OAM21(对应本征模式EH11和HE31)模式色散随内包层空气孔半径的变化关系图，其中，图4-1为OAM21对应本征模式EH11模式色散随内包层空气孔半径的变化关系图，图4-2为OAM21对应本征模式HE31模式色散随内包层空气孔半径的变化关系图；
图5为调节双环结构参数后，光纤中不同OAM模式的色散曲线图(包含OAM31、OAM41和OAM51模式)，其中，图5(a)为矢量模式EH21色散曲线(对应
Figure BDA0002590998480000031
模式)，图5(b)为矢量模式HE41色散曲线(对应
Figure BDA0002590998480000032
模式),图5(c)为矢量模式EH31色散曲线(对应
Figure BDA0002590998480000033
模式)，图5(d)为矢量模式HE51色散曲线(对应
Figure BDA0002590998480000034
模式)，图5(e)为矢量模式EH41色散曲线(对应
Figure BDA0002590998480000035
模式)，图5(f)为矢量模式HE61色散曲线(对应
Figure BDA0002590998480000036
模式)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的具体说明。
一种基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，横截面结构如图1所示。包括纤芯和包层两部分，纤芯中心为一个半径为r的空气孔。所述纤芯部分为双环结构，该结构分别由半径为r1的高折射率内环和内、外半径分别为r2和r3的高折射率外环构成，所述包层部分由内、外包层组成，内包层空气孔半径为r4，孔间距为Λ2，外包层空气孔直径为d，孔间距为Λ1。所述高折射率内环和高折射率外环由掺杂二氧化硅构成，所述高折射率内环的折射率n1和高折射率外环的折射率n2的取值范围为0＜n1-n0＜0.08,0＜n2-n0＜0.08，，其中n0为纯二氧化硅折射率，所述空气孔半径r、高折射率内环半径r1和高折射率外环内、外半径r2和r3的取值范围为0μm≤r＜r1＜r2＜r3＜40μm，所述光纤内包层空气孔半径r4的取值范围为0μm≤r4＜4μm，孔间距Λ2的取值范围为0μm≤Λ2≤15μm。
本实施例选取该微结构光纤的基底材料为纯二氧化硅，中心大气孔的半径r＝2μm；高折射率内环的外径r1＝6μm；内包层空气孔的半径r4＝0.3μm，孔间距Λ2＝3μm；高折射率外环的内径r2＝13μm，外径r3＝16μm；外包层空气孔的直径d＝3.4μm，孔间距Λ1＝4μm；高折射率内环的折射率n1比纯二氧化硅高0.03，高折射率外环的折射率n2比纯二氧化硅高0.0267。在该参数下，微结构光纤的模式特性如图2至4所示。
图2所示为该光纤内环和外环可支持传输的两种本征模式HE31和EH11的有效折射率谐振曲线图。该光纤利用特殊双环结构，实现了内环HE31模式和外环HE31模式、内环EH11模式和外环EH11模式分别发生谐振；在谐振波长附近，内外双环模式的有效折射率曲线发生偏移，从而产生高负色散的光学特性。
图3所示为不同OAM21模式
Figure BDA0002590998480000041
在不同光纤传输距离情况下的模场变化图(图中均假设OAM模式从外环入射，如果模式从内环入射，同理)，可以看出，在谐振波长处，无论传输距离是多少，该光纤的内环和外环均为稳定的OAM模式。
图4为该微结构光纤中OAM21(对应本征模式EH11和HE31)模式色散随内包层空气孔半径的变化关系。该光纤利用双环谐振效应，实现了OAM模式的高负色散，可用于光纤OAM模式色散补偿，通过调节内包层空气孔尺寸(空气孔半径从0.1μm-0.5μm不等)，可以调控OAM模式的色散大小，从而调控光纤的色散补偿特性。同时，内包层空气孔也可以填充折射率可调的功能型材料来实现对色散补偿特性的动态调控。
此外，该光纤结构还可用于不同OAM模式的色散调控和补偿功能。通过调节双环结构参数，该微结构光纤在支持不同OAM模式稳定传输的同时，可以实现内外双环中不同模式的谐振。图5为在不同双环结构参数条件下，光纤中不同OAM模式的色散曲线图(包含OAM31、OAM41和OAM51模式)。这表明该光纤结构可以对不同的OAM模式进行色散补偿。同样，通过调节内包层空气孔尺寸，可以调控不同OAM模式的色散大小，从而达到调控光纤的色散补偿特性。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，包括纤芯和包层两部分，纤芯中心为一个半径为r的空气孔，基底材料为纯二氧化硅，其特征在于：所述纤芯部分为双环结构，该结构分别由半径为r1的高折射率内环和内、外半径分别为r2和r3的高折射率外环构成，所述包层部分由内、外包层组成，内包层空气孔半径为r4，孔间距为Λ2，外包层空气孔直径为d，孔间距为Λ1。
2.根据权利要求1所述的基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述高折射率内环和高折射率外环由掺杂二氧化硅构成。
3.根据权利要求1所述的基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述高折射率内环的折射率n1和高折射率外环的折射率n2的取值范围为0＜n1-n0＜0.08,0＜n2-n0＜0.08，其中n0为纯二氧化硅折射率。
4.根据权利要求1所述的基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述空气孔半径r、高折射率内环半径r1和高折射率外环内、外半径r2和r3的取值范围为0μm＜r＜r1＜r2＜r3＜40μm。
5.根据权利要求1所述的基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述光纤内包层空气孔半径r4的取值范围为0μm＜r4＜4μm，孔间距Λ2的取值范围为0μm<Λ2≤15μm。
6.根据权利要求1所述的基于双环谐振的OAM模式色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述外包层空气孔的直径d＝3.4μm，孔间距Λ1＝4μm。
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