CN112649915A - 一种支持114个oam模式传输的光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光子晶体光纤，具体涉及一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，所述光子晶体光纤包括环形纤芯和包层，所述环形纤芯的环形中心为一个空气圆孔，所述包层由内层的半圆形空气孔和外层是圆形空气孔组成；该结构无需额外的掺杂，纤芯部分的环形区域就可以通过中心空气圆孔与包层部分的半圆形空气孔构成一个等效高折射率区域；所述光子晶体光纤的基底材料为纯二氧化硅。解决传统二氧化硅材料光纤传播模式数少的问题，在1200nm‑1800nm波长范围内，具有较高有效折射率差，低损耗传输特性，低非线性系数，相对平坦的色散，在未来光纤通信系统中有潜在的应用价值。

Description

一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤

技术领域：

本发明涉及一种光子晶体光纤，具体涉及一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤。

背景技术：

空分复用技术(Space-DivisionMultiplexing，SDM)的出现为提升光通信系统容量增加了一种新的方法。轨道角动量(OrbitalAngularMomenturn，OAM)的复用是SDM的一种重要形式，轨道角动量是在光通信领域中除光强度、相位、频率和偏振之外一个新的自由度，在通信系统中利用不同拓扑荷数的OAM光束作为信息载体，从而实现空间复用，在提高自由空间和光纤系统的通信容量方面有着巨大的前景。

目前，常用的OAM光束产生技术主要分为两种，一种是采用非光纤结构，如空间光调制器和集成硅器件等。另一种是使用光纤结构，例如，利用环形光纤、光子晶体光纤(PCF)、基于单模光纤(SMF)的螺旋长周期光纤光栅(LPFG)。光子晶体光纤(PCF)由于其包层中的二维光子晶体结构可灵活设计，被认为是传输光轨道角动量(OAM)的理想候选者。基于PCF的OAM传输光纤，具有支持的OAM模式数多，色散小，限制损耗小，易于控制和传输等优点，因此可用来大幅度提升光通信容量。

HE_l+1,m和EH_l-1，m是光纤中的本征模，OAM模式是由相位差为π/2的同一阶奇偶模式(HE或EH)线性叠加，具体叠加方式如下：

其中，l是拓扑荷，m是一阶径向阶数，即m＝1；HE^even、HE^odd、EH^even和EH^odd分别为HE和EH模式的奇模和偶模；OAM的上标表示的是圆偏振的方向，“+”、“-”分别表示逆时针和顺时针圆偏振。

由于构成OAM模式的HE和EH本征模式在长距离光纤通信中传播常数接近，容易耦合成LP模式，因此应特别设计能够稳定传播OAM模态的光纤，合理控制光纤中矢量模之间的有效折射率差来减弱模式简并，保证每个模式的独立稳定传输。通常，各个矢量模式之间的有效折射率差在10^-4以上的OAM模式传输光纤，才不会发生模式简并，且有效折射率差越大，模式之间的简并越弱。

OAM光束在光纤中的传输是目前的研究热点，2012年，首次提出用于OAM传输的光子晶体光纤，随之OAM光纤被广泛研究。在此基础上，各种新型OAM光纤被大量报道。以纯二氧化硅为单一制作材料的光子晶体光纤，不仅容易实现而且具有更好的温度稳定性。然而当前报道的以纯二氧化硅为制作材料的OAM光纤传输模式数量都不太理想，随后含掺杂材料的光子晶体光纤相继出现，但是掺杂材料增加了制作工艺的复杂度。如何使纯二氧化硅为基底材料的OAM传输光纤具有低损耗、色散平坦、低非线性系数及较高折射率差等优点，同时提高OAM传输模式数量，进而增加光通信容量，成为目前该领域需要解决的问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有OAM传输光纤的不足，设计了一种基于纯二氧化硅材料的支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，解决传统二氧化硅材料光纤传播模式数少的问题，在1200nm-1800nm波长范围内，具有较高有效折射率差，低损耗传输特性，低非线性系数，相对平坦的色散，在未来光纤通信系统中有潜在的应用价值。

本发明采用的技术方案为：一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，所述光子晶体光纤包括环形纤芯和包层，所述环形纤芯的环形中心为一个空气圆孔，所述包层由内层的半圆形空气孔和外层是圆形空气孔组成；该结构无需额外的掺杂，纤芯部分的环形区域就可以通过中心空气圆孔与包层部分的半圆形空气孔构成一个等效高折射率区域；所述光子晶体光纤的基底材料为纯二氧化硅。

进一步地，所述环形纤芯的厚度h＝1.8μm。

进一步地，所述空气圆孔的直径d₀＝22μm。

进一步地，所述半圆形空气孔的直径d₁＝4μm。

进一步地，所述圆形空气孔的直径d₂＝4μm。

进一步地，所述空气圆孔的圆心与半圆形空气孔的圆心之间的孔间为Λ₀＝13.1μm。

进一步地，所述空气圆孔的圆心与圆形空气孔的圆心之间的孔间为Λ₁＝16.5μm。

进一步地，相邻两个半圆形空气孔相对圆心的张角θ₁＝18°。

进一步地，相邻两个圆形空气孔相对圆心的张角θ₂＝18°。

进一步地，通过对物理参数进行优化设计，光子晶体光纤可传输多达114个OAM模式，且在1200nm-1800nm波长范围内，有效折射率差均大于10^-4，有效地抑制了模式间的简并，避免HE模和EH模耦合成LP模，使每个OAM模式都可以更加稳定的传输。本结构光子晶体光纤可用于大量数据的传输，大幅度提升了光通信的系统容量。

本发明的有益效果：提出的一种可支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，以纯二氧化硅为基底材料，可以支持传输多个OAM模式，通过合理的结构设计，对空气孔的位置及物理参数进行优化设计，可支持的本征模式包括HE_l+1,m，EH_l-1,m，TM_0,1和TE_0,1(l＝2到29，m＝1)，共有28个模式群组，其中每个模式群组包括4个OAM模式，再加上两个OAM_±l,1(HE_2,1)模式，总共组成了114个OAM模式。在1200nm—1800nm波长范围内，HE_l+1,m模和EH_l-1,m模的有效折射率差Δn_eff大于10^-4，有效抑制了模式间的简并，避免了HE模和EH模耦合成LP模，保证了在光纤中OAM模式的稳定传输，可用于制造OAM光通信系统相关器件。

附图说明：

图1是本发明中光子晶体光纤的横截面示意图；

图2是本发明中光子晶体光纤的HE最高阶模HE_30,1的电场z分量场强分布示意图；

图3是本发明中光子晶体光纤的EH最高阶模EH_28,1的电场z分量场强分布示意图；

图4是本发明中光子晶体光纤的HE模式的有效折射率n_eff随波长λ变化的关系曲线图；

图5是本发明中光子晶体光纤的EH模式的有效折射率n_eff随波长λ变化的关系曲线图；

图6是本发明中光子晶体光纤的各阶矢量本征模式的有效折射率差Δn_eff随波长λ变化的关系曲线图；

图7是本发明中光子晶体光纤的EH模式在1200nm—1800nm的色散D随波长λ变化的关系曲线图；

图8是本发明中光子晶体光纤的HE模式在1200nm—1800nm的色散D随波长λ变化的关系曲线图；

图9是本发明中光子晶体光纤的HE模式在1200nm—1800nm的非线性系数γ随波长λ变化的关系曲线图；

图10是本发明中光子晶体光纤的EH模式在1200nm—1800nm的非线性系数γ随波长λ变化的关系曲线图。

具体实施方式：

参照各图，一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，所述光子晶体光纤包括环形纤芯2和包层1，所述环形纤芯2的环形中心为一个空气圆孔3，所述包层1由内层的半圆形空气孔5和外层是圆形空气孔4组成；该结构无需额外的掺杂，纤芯部分的环形区域就可以通过中心空气圆孔与包层部分的半圆形空气孔构成一个等效高折射率区域；所述光子晶体光纤的基底材料为纯二氧化硅；所述环形纤芯2的厚度h＝1.8μm；所述空气圆孔3的直径d₀＝22μm；所述半圆形空气孔5的直径d₁＝4μm；所述圆形空气孔4的直径d₂＝4μm；所述空气圆孔3的圆心与半圆形空气孔5的圆心之间的孔间为Λ₀＝13.1μm；所述空气圆孔3的圆心与圆形空气孔4的圆心之间的孔间为Λ₁＝16.5μm；相邻两个半圆形空气孔5相对圆心的张角θ₁＝18°；相邻两个圆形空气孔4相对圆心的张角θ₂＝18°。

能够支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤包括纤芯和包层两部分，纤芯部分是由一个环形构成，环中心为一个圆形空气孔，包层部分则由最内层的一层半圆形空气孔和一层圆形空气孔组成。

选取制造该光子晶体光纤的材料为纯二氧化硅，纤芯部分的环形厚度h＝1.8μm，纤芯部分的位于环中心的圆形空气孔的直径d₀＝22μm，包层部分的最内层一圈半圆空气孔的直径d₁＝4μm，包层部分的第二层圆形空气孔直径为d₂＝4μm，纤芯部分的中心圆形空气孔到包层部分的最内层空气孔间距为Λ₀＝13.1μm，纤芯部分的中心圆形空气孔到包层部分的第二层空气孔的间距为Λ₁＝16.5μm，包层部分的第一层的相邻空气孔绕圆心的旋转角度θ₁＝18°，包层部分的第二层的相邻空气孔绕圆心的旋转角度θ₂＝18°。在该结构下，得到的光子晶体光纤模式特性曲线如图2-10所示。

光子晶体光纤的EH最高阶模式EH_28,1的电场z分量场强分布如图2所示，光子晶体光纤的HE最高阶模HE_30,1的电场z分量场强分布示意图如图3所示。

如图4和图5所示，在1200nm—1800nm波段内，支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤的各个矢量本征模式的有效折射率n_eff随波长λ变化的关系曲线；如图6表明在1200nm—1800nm波段内，该光子晶体光纤各阶矢量本征模式，HE_l+1,m模和EH_l-1,m模的有效折射率差值Δn_eff大于10^-4，大的有效折射率差可以有效地抑制模式间的简并，避免HE模和EH模耦合成LP模，保证了OAM模式的稳定传输。

如图7和图8所示，在1200nm—1800nm波段内，支持的所有模式的色散D随着波长λ变化的关系曲线，随着光纤的OAM模式的阶数的增大，色散随之增大。低阶模式的色散特性更为平坦，色散的最低变化为HE_1,1模，其变化幅度为20ps·nm^-1·km^-1。

如图9和图10所示，在1200nm—1800nm波段内，支持的所有模式的非线性系数γ随着波长λ的变化趋势。如当入射波长λ＝1.55μm时，HE_29,1模式的非线性系数只有0.881657w^-1/km。光子晶体光纤结构具有更小的非线性系数，有效地抑制了非线性效应的影响，传输OAM模式的本领更强。

如表1所示，列举了本方案的OAM光纤在1550nm波长处的几个传输模式的限制损耗。且本方案所支持传输的各个模式在该波长下限制损耗均小于3.03×10^-7dB/m，各模式保持了较低的限制损耗。

表1(单位dB/m)

HE<sub>21</sub>	HE<sub>31</sub>	HE<sub>41</sub>	HE<sub>51</sub>	HE<sub>61</sub>	HE<sub>71</sub>
						5.22×10<sup>-11</sup>	7.06×10<sup>-12</sup>	8.31×10<sup>-11</sup>	2.89×10<sup>-12</sup>	9.47×10<sup>-11</sup>	1.42×10<sup>-10</sup>
EH<sub>11</sub>	HE<sub>81</sub>	EH<sub>21</sub>	EH<sub>51</sub>	EH<sub>41</sub>	HE<sub>91</sub>
						3.26×10<sup>-11</sup>	6.00×10<sup>-10</sup>	4.45×10<sup>-10</sup>	1.29×10<sup>-9</sup>	4.77×10<sup>-11</sup>	4.03×10<sup>-10</sup>

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，其特征在于：所述光子晶体光纤包括环形纤芯(2)和包层(1)，所述环形纤芯(2)的环形中心为一个空气圆孔(3)，所述包层(1)由内层的半圆形空气孔(5)和外层是圆形空气孔(4)组成；所述光子晶体光纤的基底材料为纯二氧化硅。

2.根据权利要求1所述的一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，其特征在于：所述环形纤芯(2)的厚度h＝1.8μm。

3.根据权利要求1所述的一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，其特征在于：所述空气圆孔(3)的直径d₀＝22μm。

4.根据权利要求1所述的一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，其特征在于：所述半圆形空气孔(5)的直径d₁＝4μm。

5.根据权利要求1所述的一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，其特征在于：所述圆形空气孔(4)的直径d₂＝4μm。

6.根据权利要求1所述的一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，其特征在于：所述空气圆孔(3)的圆心与半圆形空气孔(5)的圆心之间的孔间为Λ₀＝13.1μm。

7.根据权利要求1所述的一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，其特征在于：所述空气圆孔(3)的圆心与圆形空气孔(4)的圆心之间的孔间为Λ₁＝16.5μm。

8.根据权利要求1所述的一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，其特征在于：相邻两个半圆形空气孔(5)相对圆心的张角θ₁＝18°；相邻两个圆形空气孔(4)相对圆心的张角θ₂＝18°。

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