[发明专利]用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤

说明书

技术领域

本发明涉及一种涡旋光纤，具体涉及一种用于产生和传输涡旋光束的微结构光纤，该光纤能够满足涡旋光束高品质传输需求以及转换高斯光束为涡旋光束的转换需求。

背景技术

高清电视、TB级存储设备、千万像素数码相机、大容量智能手机以及便携式多媒体播放器的大量涌现标志着超大数据时代已经到来。这对现有的信息传输技术提出了挑战：更高的传输速率，更大的传输容量，更低的传输成本。随着网络信息传输量的与日俱增，光纤网络通信技术迅猛发展，为提高信息传输容量与速度，不断推出新的解决方案，例如波分复用技术，时分复用技术，极化复用技术，空分复用技术。时分复用技术大幅度地提高了单信道的传输速率；波分复用大幅度地提高了光纤带宽的利用率；极化复用技术大幅度地提高了光纤色散冗余极限问题；而空分复用技术仅仅是解决因光缆尺寸太大导致的管道资源紧缺问题。这些以现有的石英单模光纤为背景技术发展起来的多路技术，需要密集的信号处理技术与之配合，导致光纤网络系统成本高昂。最近十年，由于缺乏突破性新技术，光纤网络传输速率的年增长率只有20％左右，已经远低于市场对传输容量年增长速率大于40％需求。专家预测：到2020年光纤网络容量将出现饱和，互联网所产生的数据流量将超过光纤网络信息传输容量。

现有光纤网络传输容量已经接近香农极限，能否以基于新原理的全新网络技术来扩张通信带宽和速度，并保证网络信息的安全性、保密性，这是对信息科学领域的科学家和新技术开拓者提出的挑战。

美国波士顿大学的拉马钱德兰(S.Ramachandran)教授与多国相关领域专家合作，历时五年，终于在2013年6月27日，在《nature》上报道了一个里程碑式的成果：把信息以光的轨道角动量的形式进行编码，在特殊设计的涡旋光纤中已经传输超过了1公里的距离！美国波士顿大学和南加州大学还有以色列的特拉维夫大学联合推出了这种基于涡旋光束的新光纤技术。这种新光纤从传输模式看，属于多模光纤。从结构上看，属于双芯光纤。这种光纤有两个芯区：一个芯是贯穿整个长度的圆芯区，另一个是贯穿整个光纤长度的环形区。端面上圆环直径为8微米，内圆直径4微米。这两个区域的折射率比光纤两个有效包层区要大,而外部环的折射率要比中心圆大。

制造以上种类的双芯涡旋光纤，现有技术是需要四种玻璃材料制作，要求这四种材料具有类似的热学和力学性质，以保证制造光纤的可行性。他们使用的四种玻璃材料为：最内部的小圆区是在1550nm波长处为折射率1.68的SF1玻璃；圆和环之间的包层材料是折射率1.62的SF2玻璃，圆环芯区是折射率为1.8的SF57玻璃，环外围的包层基底材料是折射率为1.64的SF5玻璃。

丹麦OFS-Fitel公司已经制造了长度达1.1公里的涡旋光纤样品，他们正在开展批量化生产涡旋光纤的相关技术研究。南加州大学的Willner教授主要负责研发OAM脉冲的编/解码系统，该系统已经被命名为OAM-模分复用技术(OAM-MDM)。在该系统中，被编码的数据进入4个分离的频道。这四个频道用光的OAM(L＝±1,S＝±1)和OAM(L＝0,S＝±1圆偏振光)来描述。利用1550nm波长的光的不同模式编码，可以400Gbit/s的速度在这种新结构光纤中传输数据达到了1.1km长度。

该涡旋光纤新技术研发合作团队的领军人物拉马钱德兰教授团队还尝试利用现有的涡旋光纤传输新系统，论证了在10种不同波长，复制每一组OAM四模传输，将该系统传输速率进一步提升，达到1.6Tbit/s，相当于每秒传送8张蓝光光碟的速度，这是现代高级数据中心所用光纤速率的15倍。这个技术又被命名为OAM的波分复用(OAM-WDM)。在2013年的OFC/NFOEC会议上联合发表的题为“1.6-Tbit/s Muxing,Transmission and Demuxing through1.1-km of Vortex Fiber Carrying 2 OAM Beams Each with 10 Wavelength Channels”的论文。充分证明了新一代超高速光纤网络采用涡旋光纤传输技术的可行性。现在丹麦OFS-Fitel光纤制造商最近也在加紧研究研究规模化制造涡旋光纤的技术，为该技术的实用化铺平道路。该项研究现在已经得到了美国国防高级研究项目计划(Defense Advanced Research Project Agency under the InPho program.)的大力支持。