一种主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤

摘要

本发明公开了一种主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，包括由内至外依次设置的第一空气圆孔、高折射率环、第二空气圆孔、第三空气圆孔、第四空气圆孔和光纤包层；第一空气圆孔位于光纤横截面的中心；第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔每层气孔数量相同，且从小到大相互嵌套。本发明在工作波长1.5μm处支持多达226种OAM模式，在工作波长1.55μm处支持208种OAM模式，大大增加通信系统的容量；本发明通过增大包层半径，保持传输层厚度不变，既能有效抑制高阶径向模式，又能降低对OAM模式纯度的影响；本发明具有抑制模间串扰、非线性系数低等优点，适用于高容量OAM模式分复用通信系统，具有良好的应用价值。

权利要求

1.一种主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，其特征在于，包括由内至外依次设置的第一空气圆孔、高折射率环、第二空气圆孔、第三空气圆孔、第四空气圆孔和光纤包层；

第一空气圆孔位于光纤横截面的中心；第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔每层气孔数量相同，且从小到大相互嵌套；

所述主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤通过增大包层半径来高效抑制高阶径向模式，其原理在于增大包层半径后光纤的归一化频率小于高阶径向模式的截止频率，从而抑制所有的高阶径向模式；通过下面的公式来解释：

2 2 2 2 2

f＝N*(r2+r3+r4)/(r5‑r1)

其中r1为高折射率环的外环半径，r2、r3、r4分别是第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔的半径，r5为光纤包层的半径，Veff为光纤的归一化频率，nHR是高折射率环的折射率，nclad是包层的折射率，nsio2是石英材料的折射率，nair是空气的折射率，f是包层中的空气填充率，N是每层气孔的数量，比值ρ为第一空气圆孔的半径r0与r1的比值，结果表明当ρ比值固定为0.93时，Veff随r5的增加而明显减小，因此增大光纤的包层半径，使Veff小于高阶径向模的截止频率，从而抑制所有的高阶径向模。

2.根据权利要求1所述的主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，其特征在于，所述第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔每层气孔数量均为60个。

3.根据权利要求1所述的主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，其特征在于，所述第一空气圆孔半径为25.5μm；高折射率环的厚度和外环半径分别是2μm和27.5μm，其折射率为

1.56；第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔分别包括60个半径为1.5μm、1.6μm和

1.7μm的小空气圆孔；第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔的各个小空气圆孔的圆心与第一空气圆孔的圆心之间的距离分别是29μm、32.1μm和35.4μm。

4.根据权利要求1所述的主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，其特征在于，所述光纤包层由熔融石英材料所组成，其折射率为1.444。

5.根据权利要求1所述的主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，其特征在于，所述光纤包层的半径为58μm，并且其在工作波长1.5μm到1.7μm之间滤除了高阶径向模式。

6.根据权利要求1所述的主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，其特征在于，所述主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤支持180个OAM模式，并且在工作波长1.5μm处支持226种OAM模式，在工作波长1.55μm处支持208种OAM模式。

7.根据权利要求1所述的主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，其特征在于，所述主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤的模式质量在OAM模式的稳定传输和多路复用中用下面的公式来表示：其中η是光纤的模式质量，Ir和Ic分别指模式在传输层的平均强度和在所提出光纤的除PML层之外的整个截面中本征模的平均强度，ring是指传输层部分，whole‑section是指除PML层之外的整个截面，E是指矢量本征模的电场强度，x和y都是无量纲参量。

说明书

一种主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤。

背景技术

[0002] 随着移动互联网、大数据和云计算的发展，人们对通信容量的需求正在快速增长。因此，人们提出了提高单模光纤传输容量的几种方法，包括时分复用、偏分复用和波分复用。但是由于传统单模光纤的传输能力逐渐接近香农极限，因此其会受到不少限制。为了克服这些障碍，人们提出了另一种新的多路复用技术，即模分复用(MDM)，它是扩展通信容量的有效工具。而轨道角动量(OAM)模分复用作为MDM的一种特殊形式，在光纤通信领域也引起了极大的兴趣。

[0003] 携带OAM的涡旋光的螺旋相位分布可以用exp(ilΦ)表示,其中Φ和l分别表示方位角和拓扑荷数。特别地，理论上OAM模式的拓扑荷数是无限的，并且不同的OAM模式是相互正交的，这对于提高通信容量的具有巨大潜力。虽然OAM模式可以在自由空间传播，但其容易受到大气湍流的影响，不利于长距离传输。相反，光纤是OAM模式长距离传输的理想传输介质，因为它可以有效地避免大气湍流等外部因素的干扰。考虑到实用性，光纤的设计通常‑4需要满足以下要求：首先，在HEl+1,1模式和EHl‑1,1模式之间的折射率差要远大于10 ；其次，由于模式质量与限制损耗有关，模式质量应尽可能地高；第三，所有OAM模式应在设计的光纤中保持单阶径向模式；最后，在满足上述三个条件的情况下，在设计的光纤中提高其可以支持的OAM模式数量来扩展通信容量。

[0004] 到目前为止，环芯光纤和光子晶体光纤已经应用于OAM模式的传播中。以往的研究已经证实，环芯光纤有利于OAM模式的稳定传输，但是只有有限的参数可以对光纤的传输特性进行优化。光子晶体光纤为优化光纤的折射率分布提供了更多的参数。通过调整空气孔的排列和形状，人们可以灵活地改善光纤中模式的色散、非线性性质和限制损耗。然而，光子晶体光纤的OAM模式数量、色散、非线性和模式质量仍有待提高，这也限制了通信容量的增大。因此，在环芯光纤和光子晶体光纤的研究基础上，一种新型光纤结构有需要被提出并且研发。

发明内容

[0005] 有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，能有效增加通信系统的容量，同时具有抑制模间串扰、非线性系数低等优点，适用于高容量OAM模式分复用通信系统，此外，本发明通过增大包层半径，改变光纤包层空气填充率从而高效抑制高阶径向模式，有利于OAM模式的复用与解复用。

[0006] 本发明通过以下技术手段解决上述问题：

[0007] 一种主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，包括由内至外依次设置的第一空气圆孔、高折射率环、第二空气圆孔、第三空气圆孔、第四空气圆孔和光纤包层；

[0008] 第一空气圆孔位于光纤横截面的中心；第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔每层气孔数量相同，且从小到大相互嵌套。

[0009] 进一步地，所述第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔每层气孔数量均为60个。

[0010] 进一步地，所述第一空气圆孔半径为25.5μm；高折射率环的厚度和外环半径分别是2μm和27.5μm，其折射率为1.56；第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔分别包括60个半径为1.5μm、1.6μm和1.7μm的小空气圆孔；第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔的各个小空气圆孔的圆心与第一空气圆孔的圆心之间的距离分别是29μm、32.1μm和
35.4μm。

[0011] 进一步地，所述光纤包层由熔融石英材料所组成，其折射率为1.444。

[0012] 进一步地，所述主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤通过增大包层半径来高效抑制高阶径向模式，其原理在于增大包层半径后光纤的归一化频率小于高阶径向模式的截止频率，从而抑制所有的高阶径向模式；通过下面的公式来解释：

[0013]

[0014]

[0015] f＝N*(r22+r32+r42)/(r52‑r12)

[0016] 其中r1为高折射率环的外环半径，r2、r3、r4分别是第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔的半径，r5为光纤包层的半径，Veff为光纤的归一化频率，nHR是高折射率环的折射率，nclad是包层的折射率，nsio2是石英材料的折射率，nair是空气的折射率，f是包层中的空气填充率，N是每层气孔的数量，比值ρ为第一空气圆孔的半径r0与r1的比值，结果表明当ρ比值固定为0.93时，Veff随r5的增加而明显减小，因此增大光纤的包层半径，使Veff小于高阶径向模的截止频率，从而抑制所有的高阶径向模。

[0017] 进一步地，所述光纤包层的半径为58μm，并且其在工作波长1.5μm到1.7μm之间滤除了高阶径向模式。

[0018] 进一步地，所述主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤支持180个OAM模式，并且在工作波长1.5μm处支持226种OAM模式，在工作波长1.55μm处支持208种OAM模式。

[0019] 进一步地，所述主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤的模式质量在OAM模式的稳定传输和多路复用中用下面的公式来表示：

[0020]

[0021] 其中η是光纤的模式质量，Ir和Ic分别指模式在传输层的平均强度和在所提出光纤的除PML层之外的整个截面中本征模的平均强度，ring是指传输层部分，whole‑section是指除PML层之外的整个截面，E是指矢量本征模的电场强度，x和y都是无量纲参量。

[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

[0023] 本发明提出的主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤，在工作波长1.5μm处支持多达226种OAM模式，在工作波长1.55μm处支持208种OAM模式，大大增加通信系统的容量。此外，所提出的光纤还具有抑制模间串扰、非线性系数低等优点，适用于高容量OAM模式分复用通信系统，并且可以应用于光纤放大器和波分复用器中，具有良好的应用价值，此外，以往通过减小传输层厚度抑制高阶径向模的方法不可避免的降低模式纯度，容易出现自旋轨道角动量的耦合，本发明通过增大包层半径，保持传输层厚度不变，既能有效抑制高阶径向模式，又能降低对OAM模式纯度的影响。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0025] 图1是本发明实施例中主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤的截面图；

[0026] 图2是本发明实施例中所涉及的光纤支持的OAM模式数量与不同波长的对应关系曲线图；

[0027] 图3是本发明实施例中所涉及的光纤的包层半径与高阶径向模的对应关系示意图；

[0028] 图4是本发明实施例中所涉及的光纤支持的部分矢量本征模在工作波长为1.5至1.7μm范围内的有效折射分布；

[0029] 图5是本发明实施例中所涉及的光纤的模式质量与工作波长的对应关系示意图。

具体实施方式

[0030] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0031] 实施例

[0032] 图1是本发明实施例中主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤的截面图。从图中可以直观地观察到，本发明提出的光子晶体光纤由六层结构组成，由内至外依次包括第一空气圆孔1、高折射率环2、第二空气圆孔3、第三空气圆孔4、第四空气圆孔5和光纤包层6。与其他光纤的设计相比，除了第一空气圆孔1外，本实施例所设计的光纤有三层气孔，每层气孔数量均为60个，这平衡了本发明所提出的光纤的制造困难和优良性能。此外，该设计有效地增加了包层的空气填充率，从而降低了包层的材料折射率，增强了包层与传输层之间的材料折射率差，从而达到支持更多的OAM模式，抑制模间串扰，防止能量泄漏到包层的优点。除此之外，三层空气孔从小到大相互嵌套，更有利于利用堆叠法制造光纤预制棒。

[0033] 在本发明实施例中，第一空气圆孔1位于光纤横截面的中心，其半径r0为25.5μm。高折射率环2的厚度d和外环半径r1分别是2μm和27.5μm，其折射率为1.56。第二空气圆孔3、第三空气圆孔4和第四空气圆孔5分别包括60个半径(d2/2、d3/2和d4/2)为1.5μm、1.6μm和
1.7μm的小空气圆孔。第二空气圆孔3、第三空气圆孔4和第四空气圆孔5的各个小空气圆孔的圆心与第一空气圆孔1的圆心之间的距离分别是29μm、32.1μm和35.4μm。光纤包层6由熔融石英材料所组成，其折射率为1.444。光纤包层6的半径(r5)为58μm，厚度为2μm。

[0034] 图2的结果表明，所述光子晶体光纤可以支持180个OAM模式，并且其在工作波长1.5μm到1.7μm之间没有高阶径向模式，这有助于复用和解复用OAM模式，增加通信系统的容量。此外，所述的光子晶体光纤在工作波长1.5μm处支持多达226种OAM模式，在工作波长
1.55μm处支持208种OAM模式。

[0035] 图3的结果表明，所述主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤实现了增大包层半径有效地抑制高阶径向模式，可以通过下面的公式来解释：

[0036]

[0037]

[0038] f＝N*(r22+r32+r42)/(r52‑r12)

[0039] 其中r1为高折射率环的外环半径，r2、r3、r4分别是第二空气圆孔、第三空气圆孔和第四空气圆孔的半径，r5为光纤包层的半径，Veff为光纤的归一化频率，nHR是高折射率环的折射率，nclad是包层的折射率，nsio2是石英材料的折射率，nair是空气的折射率，f是包层中的空气填充率，N是每层气孔的数量，比值ρ为第一空气圆孔的半径r0与r1的比值，结果表明当ρ比值固定为0.93时，Veff随r5的增加而明显减小，因此增大光纤的包层半径，使Veff小于高阶径向模的截止频率，从而抑制所有的高阶径向模。通过优化设计后所述光子晶体光纤的光纤包层6半径(r5)为58μm。

[0040] 图4的结果表明，在HEl+1,1模式和EHl‑1,1模式之间的折射率差超过了2×10‑3，这远‑4大于10 。这样大的折射率差保证了HEl+1,1模式和EHl‑1,1模式可以被很好地分离开来，并且可以避免它们被简并成为对应的LP模式LPl,1。此外，折射率差越大，模间串扰越低。因此在所提出的主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤中实现的高折射率差可以使得其模间串扰处于较低的水平。

[0041] 模式质量在OAM模式的稳定传输和多路复用中起着重要的作用，这可以用下面的公式来表示：

[0042]

[0043] 其中η是光纤的模式质量，Ir和Ic分别指模式在传输层的平均强度和在所提出光纤的除PML层之外的整个截面中本征模的平均强度，ring是指传输层部分，whole‑section是指除PML层之外的整个截面，E是指矢量本征模的电场强度，x和y都是无量纲参量。而图5的结果了表明工作波长越小，本发明所提出的光纤的模式质量越高。特别值得注意的是本发明所提出的光纤中的所有本征模都具有较高的模式质量，在工作波长1.5μm至1.7μm之间其值超过94.9％。这比目前大多数光纤的表现得更好。

[0044] 综上所述，本发明提出的主动滤除高阶径向模式的光子晶体光纤可以支持180个OAM模式，在工作波长1.5μm处支持多达226种OAM模式，在工作波长1.55μm处支持208种OAM模式，大大增加通信系统的容量。此外，以往通过减小传输层厚度抑制高阶径向模的方法不可避免的降低模式纯度，容易出现自旋轨道角动量的耦合，本发明通过增大包层半径，保持传输层厚度不变，既能有效抑制高阶径向模式，又能降低对OAM模式纯度的影响。此外，所述光纤还具有模间串扰低、模式质量高等优点，在设计高容量通信系统中具有良好的应用价值，并且在高容量OAM模式分复用通信中显示出巨大的潜力。

[0045] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。