[发明专利]一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤

说明书

本发明公开了一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，包括采用圆形空气孔的中心纤芯、包覆在中心纤芯上环形高折射率层，及包层一、包层二、包层三、包层四，其中所述包层一由36个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕圆心旋转角度θ₁；所述包层二由40个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕圆心旋转角度θ₂；所述包层三由45个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕圆心旋转角度θ₃；所述包层四由50个方形空气孔组成，且相邻空气孔绕圆心旋转角度θ₄；所述每个包层的基底材料为石英且每层包层的方形空气孔大小相同，以及相邻包层的间距相同，并且每层围绕中心纤芯成圆形对称分布。本发明可支持多达58个OAM模式，可传输多个HE和EH模式，可以大幅度提升光通信容量。

技术领域

本发明涉及一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，属于光子晶体光纤传感技术领域。

背景技术

光子晶体光纤(PCF)是在现代光纤技术的基础上兴起的一个新研究领域，由于它的包层中二维光子晶体结构可以灵活的设计，使其具有诸多优异的光学特性，如无截止单模传输、可调节的色散、高双折射、大模场面积和高非线性等特性，因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。光子轨道角动量(OAM,Orbital angularmomentum)在理论上具有无限多不同量子态的正交基，所以它可以提供一种新的复用机制。基于光子晶体光纤的OAM传输光纤，支持的OAM模式数多，且模式间串扰小，限制损耗小，色散小，因此将OAM模式复用应用到光通信中，应使光纤中传输的OAM模式数尽可能的多，即可提供更多的复用通道，从而来大幅度提升光通信容量。

光纤中存在的光波模式可分为:HE、EH、TE和TM等4种，HE和EH模式又可分为奇偶模。在光纤中，将相位差为π/2的同阶奇偶模式(HE或EH)线性叠加，即可得到OAM模式。因此，光子晶体光纤中的OAM模式也可表达为光纤中同阶矢量模的奇模和偶模的叠加，具体可表述为：

OAM^±_±l,m＝HE^even_l+1,m±jHE^odd_l+1,m (1)

所以研究光子晶体光纤中OAM的传输问题，首要任务是研究光子晶体光纤中可传输的矢量本征模HE和EH模。

基于环形光子晶体的OAM传输光纤具有以下优势:环形的高折射率区不需要的额外的掺杂，结构参数设计灵活，支持的OAM模式数多，且模式间串扰小，限制损耗小，色散小。

在光通信领域中，密集波分复用、正交频分复用、模分复用等复用技术日渐兴起，但是均受限于电磁通信容量资源有限。由于轨道角动量是除光强、频率、偏振外的一个新的自由度，理论上光子轨道角动量可取无限值，将其用于光通信可以大幅提高光通信容量，已成为光通信领域研究的热点。基于光子轨道角动量的自由空间光通信，已经可以实现2.56Tbit/s以上的超高速数据传输，但受大气湍流影响严重，传输距离较短。基于OAM的光纤通信研究还较少，因传统的光纤是不能传输OAM的，研究者们设计出了环光纤可用来传输OAM，最近又有研究者提出了光子晶体光纤可以传输OAM。但传统的六边形光子晶体光纤由于六角对称的结构，传输的OAM模式只有两个，且损耗较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可传输多个OAM模式的光子晶体光纤，解决传统的六边形光子晶体光纤由于六角对称的结构，传输的OAM模式只有两个，且损耗较大的问题，将光子晶体光纤的纤芯设计为一圆形空气孔，包层为正方形空气孔且围绕纤芯呈环形对称结构，这种结构使得环形OAM传输区与OAM模式光场的环形形状非常吻合，因此可明显增加传输的OAM模式数。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：