CN213482499U

CN213482499U - 一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤

Info

Publication number: CN213482499U
Application number: CN202022681053.8U
Authority: CN
Inventors: 赵丽娟; 徐志钮; 梁若愚
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2030-11-12

Abstract

本实用新型公开了一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤，由圆心向外依次设置纤芯，第一个环形双折射率层，第一个环形包层，第二个环形高折射率层和第二个环形包层。其纤芯为一个圆形空气孔，半径为r₁，第一个环状包层的最内层空气孔包含24个大小相等圆环形均匀排列的小矩形空气孔，宽度为a₁，长为b₁，层间距为A_i。第二个环状包层的最内层空气孔包含36个大小相等圆环形均匀排列的大矩形空气孔，空气孔宽度为a₂，长度为b₂，层间距为A_o。第一个和第二个环状包层内半径分别为r₂和r₃，光纤半径为r₄。本发明在S+C+L+U波段支持传输的轨道角动量模式数达88个，各模式非线性系数以及限制性损耗均较小，适用于高容量通信系统。

Description

一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤

技术领域

本实用新型涉及光通信技术领域，具体涉及一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤。

背景技术

轨道角动量(Obrital Angular Momentum，OAM)是除光强度、相位、频率和偏振之外的一个新的自由度。其理论上可以取无限个相互正交的模式，并且有无限个拓扑荷数。OAM光束具有螺旋相位前exp(±ilθ)(l是拓扑荷数，θ是方位角)，其中l可以取任意整数。采用轨道角动量模式可以降低模式间的耦合，使得各模式的隔离性更好，无需采用繁琐的MIMO技术。光纤OAM复用通信技术是光纤OAM模式重要应用之一，利用不同OAM模式相互正交的特性，将各个OAM模式作为独立的通道分别传输不同的光信息，极大地提高了通信传输的信道容量。

较早提出的用于传输OAM模式的光纤包括环形光纤、少模光纤等。但是传统光纤中构成OAM模式的HE和EH本征模式在通信过程中由于传播常数接近，容易耦合成LP模式，进而影响OAM模式的稳定传输。若要实现OAM模式在光纤中有效传输，需要保证HE_l+1，m与EH_l-1，m之间的有效折射率差大于10^-4，这样可以防止这些本征模式耦合呈LP模式。到目前为止，光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是传输OAM模式的理想波导，它具有灵活的可设计性，有相同传播常数组的模间折射率差值大以及色散可调的特性，有效减小矢量模之间的简并，另外还可以实现高双折射，低限制性损耗等优良特性，大幅度提升光通信系统的传输容量与传输距离。

实用新型内容

为解决目前光子晶体光纤OAM模式传输数量较少，并且在OAM模式传输过程中限制性损耗较高，非线性系数较大的问题，本实用新型提供了一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤，共可传输88个轨道角动量模式。

技术方案：为实现上述技术效果，本实用新型提出的技术方案为：

一种具有两个模式传输区域的包层矩形空气孔呈圆环形分布的光子晶体光纤，该光纤的横截面包括：由圆心向外依次设置的纤芯，第一个环形双折射率层，第一个环形包层，第二个环形高折射率层和第二个环形包层。

进一步的，所述纤芯设置于光纤横截面中心，为一个圆形空气孔。

进一步的，所述环形包层为围绕纤芯呈圆形分布的矩形空气孔，矩形空气孔共六层，每三层空气孔组成一个包层。第一个环形包层最内层包含24个大小相等圆环形均匀排列的小矩形空气孔，各层空气孔间的层间距相同。第二个环形包层最内层包含36个大小相等圆环形均匀排列的大矩形空气孔，且各层空气孔的层间距均相等。

进一步的，本光纤的基底材料为二氧化硅，纤芯空气孔半径为r₁，第一个环状包层内半径为r₂，第二个环状包层内半径为r₃，光纤半径为r₄。第一个环状包层的空气孔宽度为a₁，长为b₁，每层空气孔之间的间距为Λ_i；第二个环状包层中空气孔宽度为a₂，长度为b₂，每层空气孔之间的间距为Λ_o；

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优势：

1.包层设计为矩形空气孔时比圆形空气孔有更大的空气填充率，不需要额外的掺杂即可保证模式间的大折射率差。

2.包层中的矩形空气孔的圆形均匀排列可以阻止高阶模泄露至包层。

3.本实用新型设计灵活，在S+C+L+U波段可以稳定支持88个OAM模式的传输，极大的提高通信系统的容量和频谱效率。

4.本实用新型在S+C+L+U波段各模式的限制性损耗系数较低，具有大负色散，并且非线性系数较低，有利于OAM模式在光纤中长距离传输。

附图说明

图1是本实用新型所述支持适用于长距离传输的光子晶体光纤实施例横截面的结构示意图。其中1为基底材料二氧化硅，2为大矩形空气孔，3为小矩形空气孔，4为纤芯处的圆空气孔。纤芯空气孔半径为r₁，第一个环状包层内半径为r₂，第二个环状包层内半径为r₃，光纤半径为r₄。小矩形空气孔宽度为a₁，长为b₁，每层空气孔之间的间距为Λ_i；第二个环状包层中大矩形空气孔宽度为a₂，长度为b₂，每层空气孔层间距为Λ_o。

图2是图1示例中光子晶体光纤外层传导区域模式HE_16，1的z方向场强分布图。

图3是图1示例中光子晶体光纤内层传导区域模式EH_7，1的z方向场强分布图。

图4是图1实例中光子晶体光纤外层传导区域模式OAM_15，1的相位分布图。

图5是图1实例中光子晶体光纤内层传导区域模式OAM_8，1的相位分布图。

图6是根据仿真结果得到外层高折射率传导区域支持传输的模式有效折射率差随波长变化的示意图。

图7是根据仿真结果得到内层高折射率传导区域支持传输的模式有效折射率差随波长变化的示意图。

图8是根据仿真结果得到的外层高折射率传导区域支持传输的各模式的色散随波长的变化示意图。

图9是根据仿真结果得到的内层高折射率传导区域支持传输的各模式的色散随波长的变化示意图。

图10是根据仿真结果得到的外层高折射率传导区域支持传输的各模式的有效模场面积随波长的变化示意图。

图11是根据仿真结果得到的内层高折射率传导区域支持传输的各模式的有效模场面积随波长的变化示意图。

图12是根据仿真结果得到的外层高折射率传导区域支持传输的各模式的非线性系数随波长的变化示意图。

图13是根据仿真结果得到的内层高折射率传导区域支持传输的各模式的非线性系数随波长的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示为本实用新型一个实施例的结构图，光纤横截面从内到外依次为纤芯，第一个高折射率区，第一个空气孔包层，第二个高折射率区和第二个空气孔包层。基底材料为二氧化硅。纤芯空气孔半径为r₁，第一层环状包层内半径为r₂，r₃为第二层环状包层内半径，r₄为光纤半径。内包层为三层层间距和圆心距均相同的小矩形空气孔，其宽为a₁，长为b₁，层间距为Λ_i，最内层包含24个空气孔；外包层为三层层间距和圆心距均相同的大矩形空气孔，其宽为a₂，长为b₂，层间距为Λ_o，最内层包含36个空气孔。

实施例1

光子晶体光纤结构参数：r₁＝3μm，r₂＝5.6μm，r₃＝10.5μm，r₄＝16μm，a₁＝0.8μm，b₁＝1μm，a₂＝1μm，b₂＝1.5μm，Λ_i＝1μm，Λ_o＝1.5μm。本实用新型可支持88个轨道角动量模式的传输，其中，内层和外层传导区域分别可支持30和58个轨道角动量模式的传输。相应的光子晶体光纤可支持的部分传输模式以及其相位分布图分别如图2、3、4、5所示，观察图2～5可知：

HE模式分布在环形区域的外边界，EH模式分布环形区域的内边界。从相位图中可以看出，OAM_l，1模式的相位变化2l次，因此，从相位图中可以很容易判定OAM模式的拓扑荷数。

相应的可支持88个轨道角动量模式传输的光子晶体光纤外层传导区域和内层传导区域可传输的OAM模式的有效折射率差随波长的变化情况分别如图6和图7所示，观察图6和图7可知：

各矢量模式间的有效折射率的差值都在0.0001标准线上方，即不同模式间的有效折射率之差均大于10^-4，有效的抑制了模式间的简并，避免了HE模和EH模耦合成LP模。

相应的可支持88个轨道角动量模式传输的光子晶体光纤外层传导区域和内层传导区域可传输的OAM模式的色散随波长的变化情况分别如图8和图9所示，观察图8和图9可知：

在内层环状传导区域中模式HE_9，1，EH_7，1和HE_8，1在1550nm左右具有色散平坦的特性；在外层环状传导区域，EH_14，1模式在1550nm左右具有色散平坦的特性，且模式HE_16，1在S+C+L+U波段范围内均具有较低的色散，最低可达到-2000ps·km^-1·nm^-1，避免了因色散较大而引起的光脉冲展宽对传输容量及带宽的限制，可用于色散补偿领域，增加传输距离。

相应的可支持88个轨道角动量模式传输的光子晶体光纤外层传导区域和内层传导区域可传输的OAM模式的有效模场面积随波长的变化情况分别如图10和图11所示，观察图10和图11可知：

本实用新型各矢量模式的有效模场面积与波长近似成线性关系，外层环状传输区域的有效模场面积变化范围为90～135μm²，内层环状传输区域的有效模场面积变化范围为49～59μm²，有效模场面积较大。

相应的可支持88个轨道角动量模式传输的光子晶体光纤外层传导区域和内层传导区域可传输的OAM模式的非线性系数随波长的变化情况分别如图12和图13所示，观察图12和图13可知：

在整个S+C+L+U波段范围内，本实用新型的非线性系数较小，均小于2.8km^-1·W^-1，最低可达0.9km^-1·W^-1，可有效避免因非线性效应过高而限制中继距离等问题，有利于OAM模式在光纤中传输。

以上实施例用于说明本实用新型但不限制本实用新型的保护范围。在阅读了本实用新型的记载的内容之后，技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤，其为在以二氧化硅为基底的光纤包层内开设若干空气孔组成的光子晶体光纤结构，由圆心向外依次为纤芯，第一个环形高折射率层，第一个环形包层，第二个环形高折射率层和第二个环形包层，其特征在于，所述纤芯为一个圆形空气孔；所述包层中为呈圆形排列的矩形空气孔，将光纤包层分为两个模式引导区域。

2.根据权利要求1所述的一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤，其特征在于该光纤包含两个高折射率层与两个矩形空气孔包层。

3.根据权利要求1所述的一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤，其特征在于该光纤两个包层内的矩形空气孔呈圆形均匀排列，且各个包层内空气孔的层间距相等。

4.根据权利要求1所述的一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤，其特征在于，内环形包层中靠近纤芯的第一层包含24个小矩形空气孔，外环形包层中靠近纤芯的第一层包含36个大矩形空气孔，且每层空气孔的两个相邻孔中心的圆心距相等。

5.根据权利要求1所述的一种新型多模式轨道角动量长距离传输光纤，其特征在于纤芯空气孔半径为3μm，第一个环状包层内半径为5.6μm，第二个环状包层内半径为10.5μm，光纤半径为16μm，第一个环状包层的空气孔宽度为0.8μm，长为1μm，每层空气孔之间的间距为1μm；第二个环状包层中空气孔宽度为1μm；长度为1.5μm，每层空气孔之间的间距为1.5μm。