一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量传输光纤转让专利
申请号 : CN201510664494.8
文献号 : CN105242347B
文献日 : 2018-05-15
发明人 : 杨中民 , 张智深 , 甘久林 , 衡小波 , 钱奇 , 陈东丹
申请人 : 华南理工大学
摘要 :
本发明公开了一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量传输光纤。本征串扰是光纤结构本身所导致的信道串扰，是实际OAM光通信系统的串扰极限值。本发明采用折射率分布曲线连续的光纤结构，使光纤中OAM传输光纯度超过99.9%，进而实现低于‑30 dB的本征串扰。相比于一般的多模光纤，本发明采用较大的相对折射率差和较小的纤芯半径，单一纤芯能同时支持10个以上的OAM光进行传输。利用多芯结构，本发明提出的单根光纤中可以支持190个以上的OAM传输信号。本发明提供的光纤结构简单，易于制备，损耗极低，能大规模应用于长距离OAM光纤通信系统中。
权利要求 :
1.一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量传输光纤，其特征在于：所述的光纤包括一个或多个光纤纤芯，和一个包层；所述的纤芯数目为1～20个，所述纤芯半径均小于10μm；所述包层半径为40～100μm；所述光纤中的轨道角动量传输光纯度超过99.9％，本征串扰低于-
30dB的；
所述纤芯折射率分布函数均为 其中，r是纤芯相对于其中
心的距离，r0是纤芯的半径，n1为纤芯的最高折射率，Δ为纤芯最高折射率和包层折射率的相对折射率差，其值为0.03～0.3，α为分布参数，α的值大于2.1。
2.根据权利要求1所述的一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量传输光纤，其特征在于：纤芯所需要的折射率分布，通过对基底材料进行掺杂实现，具体为采用能实现折射率减小的材料对纤芯轴心至边缘进行从0mol％到C1mol％的掺杂；或采用能实现折射率增加的材料对纤芯轴心至边缘进行从C2mol％到0mol％的掺杂；或前述两种掺杂方式两者结合起来，先采用能实现折射率增加的材料对纤芯轴心至边缘进行从C2mol％到0mol％的掺杂，再采用实现折射率减小的材料进行从0mol％到C1mol％的掺杂；包层材料与纤芯边缘具有相同的折射率，是基底材料或最大浓度掺杂的基底材料；掺杂的最大浓度值C1和C2的范围均为
5～80mol％。
3.根据权利要求2所述的一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量传输光纤，其特征在于：所述基底材料是石英玻璃、多组分玻璃或高分子聚合物；所述掺杂的材料是氟、二氧化锗、三氧化二铝中的一种或多种。
说明书 :
一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量传输光纤
技术领域
[0001] 本发明涉及到光纤通信领域，尤其是一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量(Orbital angular momentum，OAM)传输光纤。
背景技术
[0002] 随着通信技术的不断发展和完善，时分复用技术、波分复用技术和偏振复用技术都已经被广泛应用于单模光纤通信系统中，并使其传输容量接近于香农极限。然而，移动互联网、云计算和物联网的快速发展，导致全球通信系统对于传输容量的需求仍然在呈指数形式增长。因此，采用新的复用技术对通信系统进行升级，进一步增加传输容量和频谱效率，对推动经济社会发展具有重要的战略意义。目前，可能的解决方案为模式复用技术和空分复用技术。OAM光通信，即利用不同的OAM光作为信道来进行通信，是模式复用技术的关键应用之一。OAM光可以用符号来表示，其中s只能是±1，表示左旋光或右旋光；l是拓扑荷数，表示顺时针环绕一周后相位的变化量与2π的比值，也表示单一光子所携带的OAM与普朗克常数h的比值。拓扑荷数l可以有无穷多个值，因此OAM光通信技术理论上可以将现有的通信容量扩充至无限大。
[0003] 相对于空间OAM光通信，光纤OAM光通信更适用于长距离通信。OAM传输光纤的关键技术在于通过合理的设计，尽可能降低不同OAM光之间的串扰。普通的多模光纤会产生严重的OAM光串扰问题，因而不适合传输OAM光。对于普通的多模光纤，其折射率分布通常为：
[0004]
[0005] 其中， 上式中，n1为光纤纤芯最大的折射率，n2为光纤包层折射率，r0为光纤的纤芯半径，Δ为光纤纤芯和包层的相对折射率差，α为分布参数。对于普通的多模光纤，r0一般为31.25μm或52.5μm，能支持数百个甚至数千个模式进行传播。Δ的值一般很小，仅为0.005～0.025(中国专利：CN100474010C)，即为弱波导结构。α分布参数针对某特定的波长(如1300nm)，具有使各种本征模式之间的延迟差值最小的最优值，一般为1.98～2.1(中国专利：CN100474010C)。
[0006] 普通多模光纤的弱波导结构，会导致模式简并现象，使得不同的本征模式具有几乎相同的传播常数，进而导致光在传播的时候产生严重的模式耦合现象。例如，HE31和EH11在普通多模光纤中就是简并的。普通多模光纤的关键性能指标是模间延迟差值，其值越小，代表光纤越适合应用于通信领域。为了尽可能减小模间延迟差值，一般通过设计更复杂的折射率分布或刻意引入缺陷来加强模式耦合现象进行优化(中国专利：CN1198157C)。严重的模式耦合现象使得某个特定的本征模式(例如HE31)无法在普通多模光纤中单独、稳定的传播。而光纤中的OAM光实际由本征偶模和本征奇模叠加得到，不同的OAM光一般由不同的e o本征模式叠加得到。例如，HE31和EH11各自叠加后，会得到不同的OAM光(HE31+jHE31→<+1，+
2>，EH11e+jEH11o→<-1，+2>)。因此，不同的OAM光在普通多模光纤中传播会产生严重的耦合现象，进而导致严重的信道串扰问题。
2>，EH11e+jEH11o→<-1，+2>)。因此，不同的OAM光在普通多模光纤中传播会产生严重的耦合现象，进而导致严重的信道串扰问题。
[0007] 环形纤芯的光纤结构有利于打破光纤的简并模式，从而使各本征模式可以单独、稳定地在光纤中传播(Optics Letters,34(16):2525,2009)。因此，环形光纤被广泛采纳为OAM传输光纤。实际上，即使是设计好的OAM传输光纤，也会存在固有的信道串扰，即本征串扰。本征串扰由光纤中合成的OAM光的纯度决定，是实际通信系统串扰的理论极限值。光纤中合成的OAM光并不是100％纯度。通过精确求解麦克斯韦方程组，可以发现同阶的本征奇模和本征偶模的叠加后的光场表达式为两个不同OAM光的线性组合。例如，HE31e+jHE31o→A·<+1，+2>+B·<-1，+4>，其中A和B为各个OAM光所占的比例，并满足A+B＝1；在上式中，A＞B＞0。目前已有报道的环形光纤，光纤中的本征模式叠加后产生的OAM光的纯度不够高(1～99％)，对应的本征串扰超过-20dB。例如，根据文献“IEEE Photonics Journal,4(2):535,
2012”报道的环形光纤的结构参数，计算出来的本征串扰为-18.1dB。环形光纤的本征串扰过大，使其难以应用于长距离光纤通信系统，也导致OAM光纤通信系统的解复用模块变得更加复杂。因此，目前迫切需要一种高纯度、低本征串扰的OAM传输光纤，以推进OAM光纤通信系统的产业化发展。
2012”报道的环形光纤的结构参数，计算出来的本征串扰为-18.1dB。环形光纤的本征串扰过大，使其难以应用于长距离光纤通信系统，也导致OAM光纤通信系统的解复用模块变得更加复杂。因此，目前迫切需要一种高纯度、低本征串扰的OAM传输光纤，以推进OAM光纤通信系统的产业化发展。
发明内容
[0008] 本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种高纯度、低本征串扰的OAM传输光纤。本发明提供的光纤结构简单，易于制备，损耗极低，能同时传输多个OAM光，目的在于大规模应用于长距离OAM光纤通信系统中。
[0009] 本发明提供的一种高纯度、低信道串扰的OAM传输光纤，所述的光纤包括一个或多个光纤纤芯、一个包层；所述的纤芯数目为1～20个，所述纤芯半径均小于10μm；所述包层半径为40～100μm。所述纤芯折射率分布函数均为 其中，r是纤芯相对于其中心的距离，r0是纤芯的半径，n1为纤芯的最高折射率，Δ为纤芯最高折射率和包层折射率的相对折射率差，其值为0.03～0.3，α的值大于2.1。
[0010] 本发明提供的一种高纯度、低信道串扰的OAM传输光纤，可以通过改进现有的光纤制备技术(例如气相沉积法、拉伸法等)，实现以上的参数要求。通过气相沉积法制备相应光纤的预制棒，然后对预制棒进行加热拉伸制得所需的OAM传输光纤。预制棒中，纤芯所需要的折射率分布，可以通过对纤芯轴心至边缘进行能实现折射率减小的材料掺杂(从0→C1mol％)；也可以通过对纤芯轴心至边缘进行实现折射率增加的材料掺杂(从C2→0mol％)；也可以是两者结合起来，对纤芯轴心至边缘先进行实现折射率增加的材料掺杂(从C2→
0mol％)，再进行实现折射率减小的材料掺杂(从0→C1mol％)。包层应与纤芯边缘具有相同的折射率，因此其材料是基底材料或对基底材料进行对应的最大浓度掺杂。具体而言，基底材料可以是石英玻璃、多组分玻璃(如磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃等)以及高分子聚合物等(如丙烯酸树脂等)；掺杂材料可以是一种或多种，为氟、二氧化锗、三氧化二铝等材料，掺杂的最大浓度值(C1和C2)的范围均为5～80mol％。
0mol％)，再进行实现折射率减小的材料掺杂(从0→C1mol％)。包层应与纤芯边缘具有相同的折射率，因此其材料是基底材料或对基底材料进行对应的最大浓度掺杂。具体而言，基底材料可以是石英玻璃、多组分玻璃(如磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃等)以及高分子聚合物等(如丙烯酸树脂等)；掺杂材料可以是一种或多种，为氟、二氧化锗、三氧化二铝等材料，掺杂的最大浓度值(C1和C2)的范围均为5～80mol％。
[0011] 与现有技术相比，本发明的优点是：
[0012] 1、本发明提出的光纤结构简单，与现有的光纤制备技术(例如气相沉积法、拉伸法等)兼容，便于迅速大规模生产。
[0013] 2、本发明能在单个纤芯中支持10个以上的轨道角动量模式传输，传输损耗低于1dB/km，色散低于40ps/(km·nm)，本征串扰低于-30dB，能应用于长距离OAM光纤通信系统。
[0014] 3、本发明能在单根光纤中利用多芯结构实现数十个甚至数百个OAM光的传输，极大地提高了单根光纤的信息传输能力。
附图说明
[0015] 图1a、图1b为示例1中所述的高纯度、低本征串扰的OAM传输光纤的折射率分布图及示意性截面图。
[0016] 图2为示例1所述的OAM传输光纤的色散图。
[0017] 图3为示例1所述的OAM传输光纤中各本征模式叠加得到的OAM光的纯度对比图。
[0018] 图4为示例2中所述的OAM传输光纤的示意性截面图。
[0019] 图5为示例3中所述的OAM传输光纤的示意性截面图。
具体实施方式
[0020] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
[0021] 实施例1：
[0022] 图1a、图1b是本发明的高纯度、低本征串扰的OAM传输光纤一个示例的折射率分布图及示意性截面图。该光纤包括位于一个光纤中心的纤芯1和同心地环绕在纤芯外周的包层2。所述的光纤的包层2的直径为125μm，折射率为1.46。光纤纤芯1的折射率分布满足其中， 具体参数分别为：n1＝1.56；r0＝3.8μm；Δ＝0.062和α＝3.80。该光纤预制棒的基底材料是石英玻璃，从纤芯轴心至纤芯边缘，逐渐进行二氧化锗掺杂(65→0mol％)，由气相沉积法精确控制掺杂过程以实现纤芯的折射率分布；包层材料为石英玻璃。光纤预制棒经过加热拉细后形成OAM传输光纤。该光纤最多可以支持16个OAM光传输信号。利用有限元法可以计算出该光纤在1550nm波长处的模式有效折射率，如表1所示。最小的有效折射率差为1.15×10-4，可以有效的抑制光纤中的模间耦合现象。图2为该光纤的色散值，在C波段(1525～1575nm)内低于35ps/(km·nm)。
根据有限元法算出该光纤在1550nm波长处的模场分布以及OAM光的合成公式(例如，HE31e+jHE31o→A·<+1，+2>+B·<-1，+4>)，可以得到该光纤中OAM光的具体分布，然后通过积分求得A和B的值，最后获得该光纤中各模式所合成的OAM光的纯度。如图3所示，所有模式合成的OAM光的纯度均超过99.9％，对应的本征串扰值低于-30dB。基于上述的结果，所述的光纤具有低色散，低模式耦合，低本征串扰的特点，能够大规模应用于长距离OAM光纤通信系统。
根据有限元法算出该光纤在1550nm波长处的模场分布以及OAM光的合成公式(例如，HE31e+jHE31o→A·<+1，+2>+B·<-1，+4>)，可以得到该光纤中OAM光的具体分布，然后通过积分求得A和B的值，最后获得该光纤中各模式所合成的OAM光的纯度。如图3所示，所有模式合成的OAM光的纯度均超过99.9％，对应的本征串扰值低于-30dB。基于上述的结果，所述的光纤具有低色散，低模式耦合，低本征串扰的特点，能够大规模应用于长距离OAM光纤通信系统。
[0023] 表1.光纤的本征模式有效折射率
[0024]模式 HE11 TE01 TM01 HE21 EH11
有效折射率 1.546082 1.528369 1.528192 1.528077 1.507798
模式 HE31 HE12 EH21 HE41
有效折射率 1.507247 1.504445 1.485302 1.484297
有效折射率 1.546082 1.528369 1.528192 1.528077 1.507798
模式 HE31 HE12 EH21 HE41
有效折射率 1.507247 1.504445 1.485302 1.484297
[0025] 实施例2：
[0026] 图4是本发明的高纯度、低本征串扰的OAM传输光纤一个示例的示意性截面图。该光纤包括位于两个光纤中心的纤芯(1和2)和环绕在纤芯外周的包层3。所述的光纤的包层3直径为125μm，折射率为1.46。纤芯的折射率分布均满足 其中，纤芯1的结构参数分别为：n1＝1.56；r0＝3.8μm；Δ＝0.062和α＝
3.80；纤芯2的结构参数分别为：n1＝1.56；r0＝3.9μm；Δ＝0.062和α＝4.10。纤芯1位于光纤左侧，与光纤中心的距离为6μm；纤芯2位于光纤右侧，与光纤中心的距离为8μm。该光纤预制棒的基底材料是石英玻璃，从纤芯轴心至纤芯边缘，逐渐进行二氧化锗掺杂(65→0mol％)，由气相沉积法分别精确控制掺杂过程以实现两个纤芯的折射率分布；包层材料为石英玻璃。分别对两个纤芯预制棒进行第一次加热拉细操作(缩棒)，然后依次放入打好孔的包层预制棒中，最后进行第二次加热拉细操作，形成所需的OAM传输光纤。该光纤最多可以支持
32个OAM光传输信号。
3.80；纤芯2的结构参数分别为：n1＝1.56；r0＝3.9μm；Δ＝0.062和α＝4.10。纤芯1位于光纤左侧，与光纤中心的距离为6μm；纤芯2位于光纤右侧，与光纤中心的距离为8μm。该光纤预制棒的基底材料是石英玻璃，从纤芯轴心至纤芯边缘，逐渐进行二氧化锗掺杂(65→0mol％)，由气相沉积法分别精确控制掺杂过程以实现两个纤芯的折射率分布；包层材料为石英玻璃。分别对两个纤芯预制棒进行第一次加热拉细操作(缩棒)，然后依次放入打好孔的包层预制棒中，最后进行第二次加热拉细操作，形成所需的OAM传输光纤。该光纤最多可以支持
32个OAM光传输信号。
[0027] 实施例3：
[0028] 图5是本发明的高纯度、低本征串扰的OAM传输光纤一个示例的示意性截面图。该光纤包括19个纤芯(1～19)和环绕在纤芯外周的包层20。所述的光纤的包层20的直径为125μm，折射率为1.46。19个光纤纤芯拥有相同的折射率分布，均满足其中， 具体参数分别为：n1＝1.56；r0＝3.8μm；Δ＝0.062和α＝
3.80。如图3所示，纤芯1位于光纤中心；纤芯2—7均匀环绕与纤芯1的外周，与纤芯1的距离均为20μm；纤芯8—19均匀环绕在最外层，分别位于六边形(边长为40μm)的六个顶点和六条边的中心处。该光纤预制棒的基底材料是石英玻璃，从纤芯轴心至纤芯边缘，逐渐进行二氧化锗掺杂(65→0mol％)，由气相沉积法分别精确控制掺杂过程以实现单一纤芯的折射率分布；包层材料为石英玻璃。对纤芯预制棒进行第一次加热拉细操作(缩棒)，待其直径均匀时，截成等距离的19段，并依次放入打好孔的包层预制棒中，最后进行第二次加热拉细操作，形成所需的OAM传输光纤。该光纤最多可以支持304个OAM光传输信号。
3.80。如图3所示，纤芯1位于光纤中心；纤芯2—7均匀环绕与纤芯1的外周，与纤芯1的距离均为20μm；纤芯8—19均匀环绕在最外层，分别位于六边形(边长为40μm)的六个顶点和六条边的中心处。该光纤预制棒的基底材料是石英玻璃，从纤芯轴心至纤芯边缘，逐渐进行二氧化锗掺杂(65→0mol％)，由气相沉积法分别精确控制掺杂过程以实现单一纤芯的折射率分布；包层材料为石英玻璃。对纤芯预制棒进行第一次加热拉细操作(缩棒)，待其直径均匀时，截成等距离的19段，并依次放入打好孔的包层预制棒中，最后进行第二次加热拉细操作，形成所需的OAM传输光纤。该光纤最多可以支持304个OAM光传输信号。
[0029] 上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。