[发明专利]用于提升光纤传输容量的方法

说明书

本发明属于光纤传输技术领域，具体技术方案为：用于提升光纤传输容量的方法，包括建立理论仿真系统和实验验证系统，通过理论仿真系统得出光纤传输光场分布以及自旋角动量分布，通过实验验证系统得出光纤传输光场分布和自旋角动量分布，采用理论分析和搭建光纤耦合传输系统，研究不同拓扑荷或者不同阶数柱矢量涡旋光束及其自旋角动量在单模光纤、环形光纤以及少模光纤中的传输特性，对在三种光纤中传输的柱矢量涡旋光束光场和自旋角动量分布进行验证，改进实验系统，实现对光场分布以及自旋角动量分布的同时探测，增大光纤的传输容量，在长距离光通信、大数据光互连的研究中有着重大的研究意义。

技术领域

本发明属于光纤传输技术领域，具体涉及一种用于提升光纤传输容量的方法。

背景技术

奇点光束中相位或偏振的不确定性引起光束中心处振幅为零，该点被称为光学奇点。涡旋光场在外形上为环形光场分布，光束中的每个光子都具有轨道角动量，同时具有螺旋波前相位。在超大容量光互联通信链路领域，涡旋光束推动了多项重大应用技术的发展，利用不同拓扑荷的涡旋光束相互正交的特性，不同拓扑荷的涡旋光束可以作为独立的信道同时传输信息，从而提高自由空间和光纤通信中的信道容量。涡旋光复用通信作为模分复用的一种形式，近年来在信道数目、通信容量和兼容性等方面都取得了重大突破。

偏振奇点以柱矢量光束为代表其偏振态沿着方位角呈现出周期性变化，不同阶的柱矢量光束在空间上是相互正交的，不同阶柱矢量光束都可以作为独立信道传输信息。柱矢量光束独特的偏振和正交特性在扩大光通信容量、提高安全性与调制能力、量子保密通信与量子计算、超大容量光互联通信链路和光交换网络技术等领域具有重大的应用技术研究发展前景。

角动量是聚焦光场的一个重要参数，在光学研究中是一个重要的研究方向，角动量可分为两大类：自旋角动量和轨道角动量，自旋角动量与光束偏振相关，主要存在于圆偏振光束中；而轨道角动量与光束的相位相关，主要存在于涡旋光束中。在对光场的自旋角动量进行表征的过程中，人们从理论上得出通过简单地测量横向电场的右旋和左旋分量就可以发现TM模式电磁场的轴向自旋角动量。除系数外，轴向自旋角动量的分布与右旋减左旋分量分布相同，这样通过对横向电场的左右旋分量进行提取即可实现对其自旋角动量的探测。

在过去40年中，一系列技术突破使得每根光纤的容量每四年增加10倍左右，到目前为止，传输技术已经能够跟上互联网协议流量的持续增长，传输成倍增长的同时，数据成本也是可控的，这主要是因为通过升级光纤端的设备，在同一根光纤上传输了更多的数据。然而，在未来十年左右，实际网络中越来越多的光纤将达到其容量限制。

因此，对于所有网络运营商来说，跟上不断增长的数据流量需求将意味着需要更多的光纤，并且可能以指数级的速度增长，如果没有进一步的创新，在并行光纤上部署系统将导致成本、功耗与容量成线性扩展，从而限制增长。

发明内容

为增加现有光纤的传输容量，本发明针对涡旋光及柱矢量光束的特性，将涡旋光以及柱矢量光束相结合，提出了在现有不同的光纤中传输柱矢量涡旋光束并探测柱矢量涡旋光束自旋角动量的方法，增大了光纤的传输容量，将自旋角动量的探测与模分复用技术相结合，进一步增大了光通信以及光互联系统的通信容量。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：用于提升光纤传输容量的方法，包括建立理论仿真系统和建立实验验证系统。

建立理论仿真系统的具体步骤为：建立柱矢量涡旋光束及其自旋角动量在光纤介质中传输的仿真模型，选取适用于波长633nm传输的单模光纤、环形光纤及少模光纤，基于广义惠更斯菲涅尔原理和相干偏振统一理论，得出柱矢量涡旋光束及其自旋角动量分别在三种光纤传输中交叉谱密度矩阵元的解析表达式，结合三种光纤的结构参数模拟计算得出三种光纤传输理论光场分布、自旋角动量分布。