[发明专利]可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤

说明书

一种可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，包括纤芯层和包层两部分，包层由最内层一圈空气孔和环绕其布设的多层外圈空气孔组成，包层的最内层一圈空气孔为一圈直径为d₁的空气孔。纤芯层是由一个直径为d₀的空气孔构成，环绕最内层一圈空气孔有三层外圈空气孔，这三层外圈空气孔按圆环形呈周期性排列且每层均由一圈相同大小直径为d₂的空气孔构成。本发明光纤的制造材料为纯二氧化硅，通过改变光纤空气孔的位置和大小，可以调节光纤的模式、色散等光学特性。通过优化光纤结构参数，该光纤可支持18个OAM模式的稳定传输，并且各个模式在1500nm‑1600nm通信波段内具有低色散、低限制损耗等特性。

技术领域

本发明属于光纤技术领域，特别是一种可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤。

背景技术

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)光束以其丰富而奇异的光学特性成为了国内外的研究热点，并在光纤通信、非线性光学、微纳操控等领域占据了重要的地位。OAM通信技术作为OAM光束最重要的应用之一，是利用不同拓扑荷值的OAM模式相互正交的特性，将多个OAM光束作为独立的通道分别携带不同的光信息进行传输，大大提高了光纤通信的传输容量。

与传统光纤中传输的本征模式不同，OAM模式由相位差为π/2的HE或EH的奇偶模式叠加而成。因此，在普通光纤中，HE、EH、TE和TM本征模式随着传输长度的变化及外界影响很容易发生变形或相互耦合，影响OAM模式的稳定传输。因此，要实现OAM模式在光纤中长距离稳定的传输必须对光纤结构进行特殊设计，保证光纤中传输的TE、TM模式与HE或EH模式的有效折射率差在10^-4以上，并且EH或HE的奇偶模式互相简并，才能避免矢量模式之间的相互耦合。

近年来，各类可支持OAM传输的新型光纤相继被报道，最典型的就是各类高折射率环芯结构的OAM传输光纤(P.Gregg,et al,Conservation of orbital angular momentumin air-core optical fibers[J],Optica,2(3),2015.和S.Ramachandran,et al,On thescalability of ring fiber designs for OAM multiplexing[J],Optics Express,23(3),2015.等)。这类光纤以非常窄的高折射率环芯作为OAM模式的传输通道，其存在如下缺点：1、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；2、细窄环芯的物理参数通常需要精确控制，且过高的折射率差值让这类光纤制造和实现起来较为困难。

为了克服这类高折射率环芯光纤的缺点，几种新型光子晶体OAM光纤被相继报道(Tian W,et al.A circular photonic crystal fiber supporting 26OAM modes[J].Optical Fiber Technology,30，2016；H.Zhang,et al,A New Type Circular PhotonicCrystal Fiber for Orbital Angular Momentum Mode Transmission[J],PhotonicsTechnology letters,28(13),2016和Z.Hu,et al,Photonic crystal fiber forsupporting 26orbital angularmomentum modes[J],Optics Express,24(15),2016)。这类光子晶体光纤结构和光学特性灵活多变，并且制造材料均为单一的纯二氧化硅，不仅温度稳定性更好且实现更加容易。然而目前已报道的这些纯二氧化硅光子晶体OAM光纤的色散特性都不太理想。

发明内容