CN210323455U - 一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，横截面中心为第一空气圆孔；在所述第一空气圆孔的外围均匀排列着一圈若干个第二空气圆孔；在所述一圈若干个第二空气圆孔的外围为一高折射率圆环，其内外圆周均以所述第一空气圆孔的圆心为圆心；在所述高折射率圆环的外围均匀排列着一圈多个第三空气圆孔；所述第一空气圆孔、所述第二空气圆孔、所述高折射率圆环、所述第三空气圆孔之间由包层填充；所述高折射率圆环的折射率高于所述包层的折射率，所述包层的折射率高于所述第一至第三空气圆孔的折射率。其具有低损耗、低非线性系数、色散平坦的优点，相比于现有光纤支持更多的OAM模式。
Description
技术领域
本实用新型涉及光通信及光纤技术领域，尤其是涉及一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤。
背景技术
随着互联网的普及率越来越高和产业发展的越来越快，人们对于通信速率和容量的要求也越来越高。高速率和高容量的通信将会是未来通信发展的必然趋势。
目前传统通信方式的速率和容量已经远远不能满足现在新兴的通信领域的发展。为了提高通信的容量，携带轨道角动量的涡旋光以一种新的复用方式出现，解决了传统复用通信中的容量问题，因此被研究者广泛关注，成为通信领域的研究热点。
OAM(Orbital Angular Momentum，轨道角动量)光束，也称之为涡旋光束，其具有螺旋型相位分布和环状空心强度分布，其光场分布中含有相位因子exp(ilθ)，光束中每个光子携带
的轨道角动量，l称为拓扑荷数，
为普朗克常数。不同拓扑荷数的涡旋光束之间是相互正交的，所以每个涡旋光束都可以作为一个独立的信道进行信号传输，这为光通信提供了额外的自由度，尤其是基于光纤的OAM复用技术开发。除此之外，涡旋光束与波分复用、偏振分复用和光时分复用等传统复用技术相结合，也能够大幅提高光通信的容量。
涡旋光束在各领域的应用中，光束的质量直接影响了这些系统的性能，产生和传输高质量的涡旋光是光学领域的研究热点。产生和传输涡旋光的方式有两种，一是在自由空间，另一种是光纤中。在自由空间中，其需要的光调制器体积庞大，成本高昂，且需要在自由空间实现光耦合。在光纤中实现和传输涡旋光，虽然能降低能量损失，适合长距离和大容量通信，但目前报导的技术方案中，其光纤支持的OAM模式数目受到限制，也就限制了光通信容量的增长。因此，需要研发和提出新的光纤结构。
实用新型内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其具有低损耗、低非线性系数、色散平坦的优点，适用于光通信中的模分复用和空分多路复用系统，在1.1-2.0μm宽带范围光通信场景中，相比于现有光纤支持更多的OAM模式。
一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，横截面中心为第一空气圆孔；在所述第一空气圆孔的外围均匀排列着一圈若干个第二空气圆孔；在所述一圈若干个第二空气圆孔的外围为一高折射率圆环，其内外圆周均以所述第一空气圆孔的圆心为圆心；在所述高折射率圆环的外围均匀排列着一圈多个第三空气圆孔；所述第一空气圆孔、所述第二空气圆孔、所述高折射率圆环、所述第三空气圆孔之间由包层填充；所述高折射率圆环的折射率高于所述包层的折射率，所述包层的折射率高于所述第一至第三空气圆孔的折射率。
所述高折射率圆环相对于所述包层的折射率变化为0.106。
所述第一空气圆孔的半径为2μm。
所述一圈若干个第二空气圆孔包括24个半径为1μm的第二空气圆孔，各第二空气圆孔的圆心均匀排列在以第一空气圆孔圆心为圆心，半径为10μm的圆周上，相邻两第二空气圆孔的圆心与第一空气圆孔圆心的圆心角为15°。
所述高折射率圆环的圆环厚度为1.5μm，其内外圆周的半径分别为12.5μm和14μm。
所述高折射率圆环为磷酸盐材料圆环，针对1550nm波长光束的折射率为1.55。
所述一圈多个第三空气圆孔包括30个半径为1.2μm的第三空气圆孔，各第三空气圆孔的圆心均匀排列在以第一空气圆孔圆心为圆心，半径为17.2μm的圆周上，相邻两第三空气圆孔的圆心与第一空气圆孔圆心的圆心角为12°。
所述包层为硅材料包层，针对1550nm波长光束的折射率为1.444。
所述微结构光纤的横截面半径为65μm。
本实用新型提出的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，在1.1-2.0μm的宽带宽范围内能够传输高达70个OAM模式，在通信波长1.55μm处能够支持98个OAM模式的传输。此外所述光纤还具有低损耗，低非线性系数，色散平坦等优点，适用于光通信中的模分复用和空分多路复用系统，并且可以应用于光纤激光器、光纤传感器中，进行涡旋光束的传输，具有良好的推广使用价值。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤的横截面及其对应折射率示意图；
图2为本实用新型实施例提供的微结构光纤在不同通信光波长与其支持的OAM模式的个数对应关系示意图；
图3为本实用新型实施例提供的微结构光纤在不同波长通信光的具体矢量模式的限制损耗示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型的实施作进一步详细的描述，但本实用新型的实施和保护不限于此，需指出的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不限定本实用新型，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
本实用新型的实施例如下：
图1是本实用新型实施例中光纤的横截面示意图及光纤横截面折射率分布图。包括中心空气圆孔1，第二圈空气圆孔2，高折射率环3，第三圈空气圆孔4和包层5。由于高折射率环3相对于包层5的折射率变化为0.106，这将有利于将不同的本征模式分离并减少模式之间的耦合。在1.1到2.0μm这900nm高带宽范围内我们提出的微结构光纤支持LP01和LP11(TM01,HE21,TE01),LP21(HE31,EH11),LP31(HE41,EH21),…LP18,1(HE19,1,EH17,1)等模式，并且各矢量模式间的折射率差都大于1×10^-4，这意味着本专利提出的光纤能有效的避免本征模式之间的简并。中心空气圆孔的引入和高折射率环两侧的气孔可以改变光纤截面的折射率分布，有利于调整波导色散。同时，高折射率环两侧的气孔也有助于光传输限制在高折射率环内。
在本实施例中，中心空气圆孔1的半径为2μm并位于包层5的中心。第二圈空气圆孔2有24个半径为1μm的小空气圆孔。两小空气圆孔关于中心点的角度间隔为15度。每个小孔的圆心距离中心空气圆孔圆心的距离为10μm。高折射率环3的厚度为1.5μm，所用的材料是磷酸盐，在1.55μm处的折射率为1.55。小折射率环的内外半径分别为r1＝12.5μm和r2＝14μm。第三圈空气圆孔4有30个半径为1.2μm的小空气圆孔，两小空气圆孔关于中心点的角度为12度。各个小空气圆孔的圆心与中心空气圆孔圆心的距离是17.2μm。值得注意的是，第二圈空气圆孔2和第三圈空气圆孔4中的空气圆孔是以角度均匀的方式分布的。包层5所用的材料是硅，它在1.55μm处的折射率为1.444。微结构光纤的半径是65μm。
图2结果表明，所述的光纤结构能够在1.1-2.0μm这900nm宽带宽范围内支持70个OAM模式，在常用的通信波长1.55μm处支持的OAM模式可达98个，能够大大提供高通信系统的容量。同时我们通过数值计算发现所述光纤支持的矢量模式在900nm范围内具有良好的色散平坦性能，其中HE3,1的波导色散变化为2.92416ps/nm/km，宽波段范围的色散变化值小有利于降低通信系统中色散补偿的难度。
图3结果表明该结构具有很低的限制损耗，在1.1-2.0μm这900nm带宽的范围内所支持的70个OAM模式的限制损耗都在10-12到10-7dB/m。
综上所述，本实用新型提出的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，在1.1-2.0μm的宽带宽范围内能够传输高达70个OAM模式，在通信波长1.55μm处能够支持98个OAM模式的传输。此外所述光纤还具有低损耗，低非线性系数，色散平坦等优点，适用于光通信中的模分复用和空分多路复用系统，并且可以应用于光纤激光器、光纤传感器中，进行涡旋光束的传输，具有良好的推广使用价值。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于，所述微结构光纤的横截面中心为第一空气圆孔；在所述第一空气圆孔的外围均匀排列着一圈若干个第二空气圆孔；在所述一圈若干个第二空气圆孔的外围为一高折射率圆环，其内外圆周均以所述第一空气圆孔的圆心为圆心；在所述高折射率圆环的外围均匀排列着一圈多个第三空气圆孔；所述第一空气圆孔、所述第二空气圆孔、所述高折射率圆环、所述第三空气圆孔之间由包层填充；所述高折射率圆环的折射率高于所述包层的折射率，所述包层的折射率高于所述第一至第三空气圆孔的折射率。
2.根据权利要求1所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于，所述高折射率圆环相对于所述包层的折射率变化为0.106。
3.根据权利要求1或2所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于，所述第一空气圆孔的半径为2μm。
4.根据权利要求1或2所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于，所述一圈若干个第二空气圆孔包括24个半径为1μm的第二空气圆孔，各第二空气圆孔的圆心均匀排列在以第一空气圆孔圆心为圆心，半径为10μm的圆周上，相邻两第二空气圆孔的圆心与第一空气圆孔圆心的圆心角为15°。
5.根据权利要求1或2所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于，所述高折射率圆环的圆环厚度为1.5μm，其内外圆周的半径分别为12.5μm和14μm。
6.根据权利要求5所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于，所述高折射率圆环为磷酸盐材料圆环，针对1550nm波长光束的折射率为1.55。
7.根据权利要求1或2所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于，所述一圈多个第三空气圆孔包括30个半径为1.2μm的第三空气圆孔，各第三空气圆孔的圆心均匀排列在以第一空气圆孔圆心为圆心，半径为17.2μm的圆周上，相邻两第三空气圆孔的圆心与第一空气圆孔圆心的圆心角为12°。
8.根据权利要求1或2所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于，所述包层为硅材料包层，针对1550nm波长光束的折射率为1.444。
9.根据权利要求1所述的用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，其特征在于，所述微结构光纤的横截面半径为65μm。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110542947A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-12-06 | 华南师范大学 | 一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤 |
| CN114740566A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-07-12 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤及光纤传像束 |
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| CN114740566A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-07-12 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤及光纤传像束 |
| CN114740566B (zh) * | 2022-03-11 | 2023-05-02 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 用于太赫兹波高性能成像的聚合物微结构光纤及光纤传像束 |
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