CN107831566B - 一种可支持22个oam模式传输的低平坦色散微结构光纤 - Google Patents
一种可支持22个oam模式传输的低平坦色散微结构光纤 Download PDFInfo
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Abstract
一种可支持22个OAM模式传输的低平坦色散微结构光纤，包括纤芯和包层两部分，其特征在于：所述纤芯部分是由一个高折射率环构成，高折射率环中心为一个空气孔；所述包层部分是由最内层的一圈空气孔和其外圈四层相同大小直径的空气孔构成。本发明能同时支持22个OAM模式稳定传输的微结构光纤，且各个模式在1500nm‑1600nm之间具有低平坦色散和低损耗传输特性。该光纤可用于大容量OAM光纤通信系统。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别是一种可支持22个OAM模式传 输的低平坦色散微结构光纤。
背景技术
光纤轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)通信是一种 新兴种类的光纤复用通信技术，其原理是利用相互正交的不同拓扑荷 值的OAM模式作为独立的通道分别携带不同的光信息进行传输。受 OAM模式优异特性的影响，OAM通信技术具有传输容量大、抗模 间串扰、数据处理灵活、保密性好等诸多优点，在新型大容量光纤通 信领域有着非常广泛的应用和发展前景。
与传统本征模式不同，光纤中的OAM模式是由相位差为π/2的 HE或EH的奇偶模式叠加而成：
其中
的上标表示左旋或右旋偏振方向，下标±L中的±代 表OAM光束波前旋转方向，L代表拓扑荷。
在传统光纤中，四种矢量模式HE、EH、TE和TM模式的传播 常数都是简并的，随着传输长度的变化及外界影响，这几种简并模式 之间很容易发生变形或相互耦合。因此要实现OAM模式在光纤中长 距离稳定传输，必须保证光纤中TE、TM模式与HE或EH模式的传 播常数发生分裂。一般来说，TE、TM模式和HE或EH模式的有效 折射率差在10-4以上，并同时满足EH或HE的奇偶模式互相简并就 能实现OAM光的稳定传输。
近几年，新型OAM传输光纤层出不穷，最典型的就是各类纤芯 为不同参数的高折射率环结构的普通光纤(L.Wang,et al, Characterization of OAM fibers using fiberBragg gratings[J],Optics Express,22(13),2014.和S.Ramachandran,et al,On thescalability of ring fiber designs for OAM multiplexing[J],Optics Express,23(3),2015. 等)。这类光纤较为单一的结构与固有的光学特性，限制了新型OAM 光纤器件的改进与发展。
在此基础上，几种结合微结构光纤灵活特性的新型OAM光纤被 相继报道。这类OAM光纤具有复杂多变的细微结构，因此光学特性 (如色散、非线性、损耗等)灵活可调。然而目前已报道的微结构 OAM光纤色散特性都不太理想。文献(Tian W,et al.A circularphotonic crystal fiber supporting 26 OAM modes[J].Optical Fiber Technology,30，2016)中，可支持传输的26种OAM模式在通信波 段的色散值在50ps/nm/km至300ps/nm/km之间，文献(H.Zhang,et al, A New Type Circular Photonic Crystal Fiber forOrbital Angular Momentum Mode Transmission[J],Photonics Technology letters,28(13), 2016)可支持传输的14个OAM模式在通信波段色散值在50ps/nm/km 至400ps/nm/km之间，而文献(Z.Hu,et al,Photonic crystal fiber for supporting 26 orbitalangular momentum modes[J],Optics Express, 24(15),2016)中所有OAM模式色散在通信波段均位于-100ps/nm/km 至-300ps/nm/km之间。
支持OAM模式传输的光纤需要满足多种复杂的特性才能应用于 通信系统。低损耗，低平坦色散，较高的折射率差值等等，这些都是 光纤设计时需要考虑的特性。
发明内容
本发明针对现有OAM光纤的不足，设计了一种能同时支持22 个OAM模式稳定传输的微结构光纤，且各个模式在1500nm-1600nm 之间具有低平坦色散，低损耗传输特性，该光纤可用于大容量OAM 光纤通信系统。
如上构思，本发明的技术方案是：一种可支持22个OAM模式 传输的低平坦色散微结构光纤，包括纤芯和包层两部分，其特征在于： 所述纤芯部分是由一个高折射率环构成，高折射率环中心为一个空气 孔；所述包层部分是由最内层的一圈空气孔和其外圈四层相同大小直 径的空气孔构成。
上述外圈四层空气孔按三角栅格呈周期性排列。
上述高折射率环中心空气孔的直径与包层部分外圈四层空气孔 的直径相等。
上述最内层的一圈空气孔和外圈四层相同大小直径的空气孔的 孔间距相等。
上述高折射率环的厚度h＝2μm、外圈四层空气孔的直径为 d＝10μm、内圈一层空气孔的直径为d1＝4μm、所有空气孔的孔间距均 为Λ＝11μm；高折射率环中心空气孔的直径为d0＝10μm。
上述包层的背景材料为纯二氧化硅。
上述纤芯的高折射率环由掺杂二氧化硅构成。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提出了一种结构简单且易于制造的微结构光纤，通过 设计合理的结构，优化包层最内圈空气孔及纤芯的物理参数，(即纤 芯部分高折射率环的厚度h＝2μm，高折射率环中心空气孔的直径为 d0＝10μm；包层部分外圈四层空气孔的直径为d＝10μm、内圈一层空气 孔的直径为d1＝4μm、所有空气孔的孔间距均为Λ＝11μm。)，使得本发 明光纤在1500nm-1600nm波段可支持22个OAM模式的稳定传输， 并且所支持传输的模式色散在该波段内均能控制在0-50ps.nm-1.km-1范围内。
2、本发明光纤的模式传输损耗非常小，所支持的所有OAM模 式损耗在1550nm波段处均低于1.3549×10-9dB/m。
3、本发明光纤可用于光纤OAM模式的稳定传输及制造OAM光 通信系统相关器件。
附图说明
图1为本发明微结构光纤的横截面示意图；
图2为本发明所支持传输的各个矢量本征模式模场分布图；
图3为本发明中各个矢量本征模式的有效折射率与波长的变化 关系；
图4为有效折射率接近的各阶矢量本征模式之间的折射率差值 与波长的变化关系；
图5为本发明不同模式在1500nm-1600nm的色散与波长的变化 关系。
具体实施方式
如图1所示：一种可支持22个OAM模式传输的低平坦色散微 结构光纤，横截面结构如图1所示，该光纤由纤芯和包层构成。纤芯 部分是由一个厚度为h的高折射率环构成，高折射率环中心为一个直 径为d0的空气孔。所述光纤的包层部分是由最内层的一圈直径为d1的 小型空气孔和外圈4层相同大小直径为d的空气孔构成，外圈4层空 气孔按三角栅格呈周期性排列，各个空气孔的孔间距均为Λ。
选取光纤包层背景材料为纯二氧化硅，纤芯高折射率环为掺杂二 氧化硅，且折射率比包层背景材料高0.05。光纤包层最外4层空气孔 直径为d＝10μm，内圈一层小空气孔直径为d1＝4μm，所有空气孔的孔 间距均为Λ＝11μm，纤芯高折射率环厚度选取为h＝2μm，高折射率环 中心的大空气孔直径为d0＝10μm。得到该参数下微结构光纤的模式特 性如图2至5及表1所示。
图2至4结果表明，所述微结构光纤可支持14个矢量本征模式 的稳定传输，各阶矢量模式与其他矢量模式的有效折射率差值均大于 1×10--4数量级，保证了各阶矢量模式对应的OAM模式的稳定传输； 从图中可以看出，该光纤可支持
共计22个OAM模式的稳定传输。
图5结果表明，在1500nm-1600nm波长范围内，各个模式的色 散值均小于50ps·nm-1·km-1，色散值均较低。色散值最大的为HE71模 式，该模式在波长为1550nm处其色散为43.83ps·nm-1·km-1，且该模式 在100nm波长带宽范围内的色散变化幅度为12.8ps·nm-1·km-1。在 1500nm-1600nm波长范围内，除了HE71和EH51模式的色散变化范围 在10ps·nm-1·km-1以上，其余模式的色散变化幅度均不超过 5ps·nm-1·km-1。所以图5结果表明，该微结构光纤具有低平坦的色散 特性，非常适用于高速OAM光纤通信系统。
表1结果表明，该微结构光纤具有很低的限制损耗，各个模式在 1550nm波长处的限制损耗均低于1.3549×10-9dB/m。
| TE<sub>01</sub> | HE<sub>11</sub> | HE<sub>21</sub> | HE<sub>31</sub> | TM<sub>01</sub> | EH<sub>11</sub> | HE<sub>41</sub> |
| 1.86×10<sup>-10</sup> | 1.16×10<sup>-10</sup> | 1.35×10<sup>-9</sup> | 1.19×10<sup>-10</sup> | 1.97×10<sup>-11</sup> | 3.42×10<sup>-10</sup> | 4.56×10<sup>-10</sup> |
| EH<sub>21</sub> | HE<sub>51</sub> | EH<sub>31</sub> | HE<sub>61</sub> | EH<sub>41</sub> | HE<sub>71</sub> | EH<sub>51</sub> |
| 4.30×10<sup>-11</sup> | 5.66×10<sup>-10</sup> | 2.53×10<sup>-10</sup> | 3.22×10<sup>-10</sup> | 1.61×10<sup>-10</sup> | 1.25×10<sup>-11</sup> | 5.01×10<sup>-11</sup> |
表1(单位dB/m)
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (2)
1.一种可支持22个OAM模式传输的低平坦色散微结构光纤，包括纤芯和包层两部分，其特征在于：纤芯部分是由一个高折射率环构成，高折射率环中心为一个空气孔；所述包层部分是由最内层的一圈空气孔和其外圈四层相同大小直径的空气孔构成；
上述高折射率环的厚度h＝2μm、外圈四层空气孔的直径为d＝10μm、内圈一层空气孔的直径为d1＝4μm、所有空气孔的孔间距均为Λ＝11μm；高折射率环中心空气孔的直径为d0＝10μm；
上述包层部分的背景材料为纯二氧化硅；
上述高折射率环为掺杂二氧化硅，且折射率比包层部分的背景材料高0.05。
2.根据权利要求1所述的一种可支持22个OAM模式传输的低平坦色散微结构光纤，其特征在于：上述外圈四层空气孔按三角栅格呈周期性排列。
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