[发明专利]一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤

说明书

本发明公开了一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，包括：中央空气孔、基底材料、环形阵列纤芯区和包层区，中央空气孔的圆心位于光纤中央，环形阵列纤芯区包括光纤基底和多个沿着中央空气孔均匀排列的掺杂石英柱，所述包层区位于环形阵列纤芯区的外侧并与中央空气孔共圆心，所述包层区是由第一包层、第二包层、第三包层和第四包层构成的环形微结构包层，其中，第一包层、第二包层、第三包层和第四包层分别由42、48、54、60个环形均匀排列的的圆形空气孔构成。本发明光纤的工作波长范围为1.0‑1.8um，在工作波长范围内可支持60个轨道角动量模式，各模式限制损耗低，色散小，有效模式面积大。

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别涉及到一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤。

背景技术

光纤作为光信号传输载体，成为光通信系统中最重要的一部分。现行的光纤通信网络大多采用波分复用、时分复用等复用技术来扩充容量。但是随着现代社会的进步和信息时代的蓬勃发展，人们对于网络带宽的要求越来越高，而基于波分复用等技术的光纤通信系统的容量已越来越接近香农极限。为了扩充通信容量，近年来人们将空分复用技术应用于光纤通信。

轨道角动量作为光除了波长、强度、频率和偏振外的另一个自由度，成为新的信息数据载体，近年来广泛应用于光纤空分复用技术，以提升通信容量。为了稳定传输轨道角动量，人们在设计此类光纤时主要采取三种方案：

(1)环芯光纤。由横截面圆心向外依次为中央空气孔、环形芯区、沟槽区和包层区，环形芯区对基底材料进行高折射率掺杂，沟槽区对基底材料低折射率掺杂，包层区为基底材料。通过环形芯区对两侧的高折射率对比，使得光纤矢量模之间的有效折射率差达到10^-4以上，避免形成线偏振模。比如，现有技术设计的传统环形芯区光纤，中央为空气孔，环形芯区采用SiO₂和GeO₂的混合介质，沟槽区采用SiO₂、P₂O₅和F的混合介质，最外层是包层，可支持34个轨道角动量模式，但是由于光纤芯区的高掺杂导致高损耗，文中报导光纤的损耗在db/m的数量级。

(2)环芯微结构光纤。由横截面圆心向外依次为中央空气孔、环形芯区和包层区，环形芯区为基底材料，包层区是在基底中引入周期性排布的空气孔。通过在包层引入微结构，加强了对光的限制，同时降低了包层区的折射率，增加了环形芯区与包层的折射率差，形成高折射率对比，使得光纤的矢量模之间的有效折射率差达到10^-4以上，避免形成线偏振模。比如现有技术设计的环芯光子晶体光纤，支持26个轨道角动量模式，利用4层空气孔包层降低了限制损耗，在1.55um处最大限制损耗为0.003db/m，但是由于环芯区域宽度的限制，无法灵活的增加轨道角动量模式，即环芯区域宽度增加时，矢量模之间的有效折射率差减小，容易形成线偏振模，影响轨道角动量稳定传输，同时，环芯区域宽度增加容易产生径向高阶模式，增大解复用的难度。

(3)多芯光纤。多个高掺杂折射率柱相对于圆心等角环形分布于基底材料上作为纤芯，每个纤芯的半径、掺杂浓度和对光纤圆心的距离等参数均一致，并具有旋转对称性。各芯耦合产生超模，通过同阶中相位差为的超模得到轨道角动量模式，通过模式耦合增大了轨道角动量模式的有效模面积。比如，现有技术有一种设计的多芯耦合光纤，采用6芯均匀分布于基底材料上，产生的超模在1.55um处的最大有效模面积为536.2um²，但是模式的数量严重受限于纤芯的数量，文中报导多芯耦合光纤的轨道角动量最大的阶数小于纤芯数量的一半，即最多产生2阶轨道角动量。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，并通过以下技术方案实现：