[发明专利]一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤

说明书

本发明涉及一种光子晶体光纤，具体涉及一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，所述光子晶体光纤包括环形纤芯和包层，所述环形纤芯的环形中心为一个空气圆孔，所述包层由内层的半圆形空气孔和外层是圆形空气孔组成；该结构无需额外的掺杂，纤芯部分的环形区域就可以通过中心空气圆孔与包层部分的半圆形空气孔构成一个等效高折射率区域；所述光子晶体光纤的基底材料为纯二氧化硅。解决传统二氧化硅材料光纤传播模式数少的问题，在1200nm‑1800nm波长范围内，具有较高有效折射率差，低损耗传输特性，低非线性系数，相对平坦的色散，在未来光纤通信系统中有潜在的应用价值。

技术领域：

本发明涉及一种光子晶体光纤，具体涉及一种支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤。

背景技术：

空分复用技术(Space-DivisionMultiplexing，SDM)的出现为提升光通信系统容量增加了一种新的方法。轨道角动量(OrbitalAngularMomenturn，OAM)的复用是SDM的一种重要形式，轨道角动量是在光通信领域中除光强度、相位、频率和偏振之外一个新的自由度，在通信系统中利用不同拓扑荷数的OAM光束作为信息载体，从而实现空间复用，在提高自由空间和光纤系统的通信容量方面有着巨大的前景。

目前，常用的OAM光束产生技术主要分为两种，一种是采用非光纤结构，如空间光调制器和集成硅器件等。另一种是使用光纤结构，例如，利用环形光纤、光子晶体光纤(PCF)、基于单模光纤(SMF)的螺旋长周期光纤光栅(LPFG)。光子晶体光纤(PCF)由于其包层中的二维光子晶体结构可灵活设计，被认为是传输光轨道角动量(OAM)的理想候选者。基于PCF的OAM传输光纤，具有支持的OAM模式数多，色散小，限制损耗小，易于控制和传输等优点，因此可用来大幅度提升光通信容量。

HE_l+1,m和EH_l-1，m是光纤中的本征模，OAM模式是由相位差为π/2的同一阶奇偶模式(HE或EH)线性叠加，具体叠加方式如下：

其中，l是拓扑荷，m是一阶径向阶数，即m＝1；HE^even、HE^odd、EH^even和EH^odd分别为HE和EH模式的奇模和偶模；OAM的上标表示的是圆偏振的方向，“+”、“-”分别表示逆时针和顺时针圆偏振。

由于构成OAM模式的HE和EH本征模式在长距离光纤通信中传播常数接近，容易耦合成LP模式，因此应特别设计能够稳定传播OAM模态的光纤，合理控制光纤中矢量模之间的有效折射率差来减弱模式简并，保证每个模式的独立稳定传输。通常，各个矢量模式之间的有效折射率差在10^-4以上的OAM模式传输光纤，才不会发生模式简并，且有效折射率差越大，模式之间的简并越弱。

OAM光束在光纤中的传输是目前的研究热点，2012年，首次提出用于OAM传输的光子晶体光纤，随之OAM光纤被广泛研究。在此基础上，各种新型OAM光纤被大量报道。以纯二氧化硅为单一制作材料的光子晶体光纤，不仅容易实现而且具有更好的温度稳定性。然而当前报道的以纯二氧化硅为制作材料的OAM光纤传输模式数量都不太理想，随后含掺杂材料的光子晶体光纤相继出现，但是掺杂材料增加了制作工艺的复杂度。如何使纯二氧化硅为基底材料的OAM传输光纤具有低损耗、色散平坦、低非线性系数及较高折射率差等优点，同时提高OAM传输模式数量，进而增加光通信容量，成为目前该领域需要解决的问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有OAM传输光纤的不足，设计了一种基于纯二氧化硅材料的支持114个OAM模式传输的光子晶体光纤，解决传统二氧化硅材料光纤传播模式数少的问题，在1200nm-1800nm波长范围内，具有较高有效折射率差，低损耗传输特性，低非线性系数，相对平坦的色散，在未来光纤通信系统中有潜在的应用价值。