[发明专利]一种用于传输轨道角动量的超模光纤有效

专利信息
申请号: 202010105588.2 申请日: 2020-02-21
公开(公告)号: CN111175883B 公开(公告)日: 2021-06-29
发明(设计)人: 王伟;徐海东;杨慢;杨骐豪;贾静静 申请(专利权)人: 燕山大学
主分类号: G02B6/02 分类号: G02B6/02;G02B6/036
代理公司: 大连东方专利代理有限责任公司 21212 代理人: 赵淑梅;李洪福
地址: 066004 河北省*** 国省代码: 河北;13
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摘要:
搜索关键词: 一种 用于 传输 轨道角动量 光纤
【说明书】:

一种用于传输轨道角动量的超模光纤,包括中央固体圆柱,内侧固体圆环,分布在固体圆环上的高折射率柱和外侧固体圆环,内侧固体圆环和高折射率柱构成环芯区域,中央固体圆柱构成内部包层区域,外侧固体圆环构成外部包层。各模式耦合单元在波长大于1.2μm时为单模传输,同时中央固体圆柱与外侧固体圆环材料相同且折射率低于内侧固体圆环背底材料,并且中央固体圆柱外边界与内侧固体圆环内边界、外侧固体圆环内边界与内侧固体圆环外边界形成具有折射率梯度的封闭边界。本发明实际可应用模式数量与理论模式数量相等,模式面积相对于环芯面积占比高,且采用全固结构,设计和拉制简单,可以应用于长距离高功率轨道角动量传输,并可以产业化。

技术领域

本发明涉及光纤通讯领域,尤其涉及一种用于传输轨道角动量的超模光纤。

背景技术

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。随着移动通信业务的迅猛发展,云计算、物联网、大数据等互联网技术日渐兴起,当前高度信息化的社会对于通信容量的需求与日俱增。目前的技术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。

研究人员提出了利用环芯光纤来稳定传输轨道角动量模式,但是由于轨道角动量光纤传输模式过多,光纤传输能量强,为了降低非线性损耗,要求光纤要做到大模面积。普通环芯光纤中l阶轨道角动量模式由相位差为π/2的HEl+1,1模式或EHl-1,1模式的奇偶分量叠加形成。当环芯比较宽时HEl+1,1与EHl-1,1模式有效折射率分离并不能达到大于10-4的条件,较低的折射率差使得HEl+1,1与EHl-1,1模式在光纤中传输时会发生能量耦合,增大信号串扰,因此传统环芯轨道角动量光纤存在以下矛盾:当环芯宽度较窄时,HEl+1,1与EHl-1,1模式有效折射率分离能达到10-4的条件,HEl+1,1与EHl-1,1模式之间能量耦合弱,串扰小,但是此时模式面积小。当环芯宽度较宽时,此时模式面积大,但HEl+1,1与EHl-1,1模式之间能量耦合强,串扰大。

为了解决传统环芯方案的矛盾,研究人员进一步提出采用环芯超模光纤来传输轨道角动量模式;此种轨道角动量光纤的环芯含有多个以光纤中心为圆心等角分布的高折射率柱,且每个高折射率柱与光纤中心的距离相等,每个高折射率柱中均支持模式,各高折射率柱中光能量通过倏逝波耦合后,在整个芯区形成超模,超模叠加再形成轨道角动量模式。在利用传统光纤全反射效应导光的基础上,此类光纤将模式耦合机理引入光传输的控制中,此时各阶超模的模式折射率(同时也是相应轨道角动量模式的模式折射率,两者数值相同)分裂的大小与每个高折射率柱的尺寸、间距和材料折射率有较大的关系,而与环芯区域的宽度关系不大,可以在保持各阶模式间较大折射率差别的同时将模式面积增大。目前实现此类光纤主要有以下两种方案:

其中一种方案为:在纯石英圆形基底上直接引入数个以基底中心为圆心且等角分布的高折射率柱,且每个高折射率柱与基底中心的距离相等,个高折射率柱与其周围直接分布的基底材料构成一个模式耦合单元并能够传输HE1,1模式。此方案形成轨道角动量模式的原理为:所有的模式耦合单元构成一个模式耦合阵列,阵列中模式耦合后形成超模,相位差为π/2的p阶超模或N-P阶超模的两个分量叠加构成P阶轨道角动量(N为模式耦合单元的数量,p≠0和N/2),每阶包含4个简并的轨道角动量模式。

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