[发明专利]一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤

说明书

本发明公开了一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，包括环芯和外包层，所述环芯从内到外依次包括中心包层、第二层阶跃环、第一层阶跃环和环形沟槽；所述第一层阶跃环芯和第二层阶跃环芯的折射率呈现双阶跃环芯形状分布，所述第一层阶跃环芯用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量，第二层阶跃环芯用于增加模式有效面积从而减小光纤各模式的非线性系数和用来抑制径向高阶模式，利用双层阶跃结构进行更大自由度的模式调控。所述光纤可以支持8阶OAM模组，模组间有效折射率差大于10supgt;‑4/supgt;，可采用模组弱耦合传输；而模组内4个模式处于简并状态，可使用固定4×4规模的MIMO算法。所述光纤支持的OAM模式均为径向一阶模式。

技术领域

本发明属于光纤通信领域，涉及一种支持多个轨道角动量模式的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤。

背景技术

现有单模光纤通信技术经过几十年发展，其容量已接近香农定理所限定的物理极限。如何满足继续飞速增长的互连需求，已经成为光纤通信技术研究的核心问题。时分、波分、偏分复用技术与多级调制方式使得大容量传输系统中单模光纤容量快速接近香农理论极限。空分复用技术(Space Division Multiplexing,SDM)可以突破该限制，为未来光纤容量增长提供新的解决方案。

在空分复用技术中，少模光纤(Few Mode Fiber,FMF)是单位空间内信道集成度最高的实现手段。轨道角动量(OrbitalAngular Momentum,OAM)模式是FMF支持的一种新模态，近年来在通信容量密度和兼容性等方面取得了重大突破。OAM是光子的一种准本征属性，其在光束中宏观表现为电磁场的空间相位分布沿角向满足整数自洽性。OAM通信研究的核心是把光子轨道角动量这一尚未利用的电磁波参数维度用于通信，充分利用光子轨道角动量大幅度提高通信系统的频谱效率和容量。

大多数支持OAM模式的光纤都具有环芯结构，因为环芯与OAM涡旋环形结构光场相匹配。当环形纤芯厚度变薄时，各阶模式的有效折射率均会减小，但径向高阶OAM模式的减小速度比径向一阶OAM模式快得多。因此，当模式数量增加时，可以通过大幅度地减小环芯厚度来抑制干扰径向一阶OAM模式复用解复用的径向高阶OAM模式。然而，过小的环芯厚度会导致模式质量劣化，双阶跃环芯结构可以用来扩展模式有效面积，提高模式质量。对于OAM传输光纤来讲，还需要考虑由自旋轨道耦合产生的本征串扰。而本征串扰是实际光纤通信系统串扰的理论极限值，由光纤传输的OAM模式的纯度来决定。据文献“IEEE PhotonicsJournal,4(2):535,2012”报道的环形光纤结构参数，得到其最低的纯度为98.535％，对应的本征串扰为-18.23dB。文献(Optics Express,27(26),38049,2019)报道的环形光纤结构参数，得到其最低的纯度为98.574％，对应的本征串扰为-18.40dB。本征串扰过大是环形阶跃光纤普遍的痛点，这样使其难以适用于长距离信号传输。而根据文献(Optics Express,23(23),29331,2015)的报道，在理论上，光纤的折射率分布变化的越缓慢，光纤容纳的OAM模式的纯度越高。文献(2016IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series,DOI:10.1109/PHOSST.2016.7548809)的报道，环芯光纤的环芯厚度越薄，光纤容纳的OAM模式的纯度越低。那么，双阶跃环芯光纤的第二层阶跃环在折射率上起到缓冲作用，减缓折射率的变化；在环芯厚度上也起到增大环芯厚度的作用。因此，除了模式质量的提高，双阶跃环芯结构还可以在一定程度上提高OAM模式的纯度，减小本征串扰。综上，双阶跃环芯光纤结构对于长距离通信有一定的优势，并且具有更大的设计维度来调控模组隔离度以及径向高阶模式。

发明内容

本发明是为了实现大容量径向一阶OAM模式信号传输，目的在于提出一种基于空分复用技术支持大容量OAM模式复用传输的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤。