面向轨道角动量光通信的低色散微结构光纤的计算机仿真设计

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近年来，随着各种信息技术的快速发展，光通信网络面临着频谱利用率和系统容量接近香农极限等问题，而轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)作为一项新型复用技术，引起了很多研究者的关注。支持OAM模式的光纤能够将这些模式看成独立的信道并行在一根光纤中传输信息，从而使多个信道并行复用在一根光纤中传输，极大的提高了光纤通信传输容量，有望解决目前通信系统所面临的香农极限问题。同时由于OAM模式之间具有相互正交的特性，在传输过程中有效避免了模式之间的互相干扰，使得光纤具有高效的信息传输质量。然而，受光学特性的影响，OAM模式在普通光纤中传输一段距离就会发生转化，最终向LP模式耦合。支持OAM模式传输的光纤需要经过特殊设计，光纤中各阶矢量模式之间有效折射率差需要大于10-4，才能保证OAM模式的稳定传输。另一方面，色散、限制损耗等光通信参数也是需要考虑的问题。因此针对目前OAM光纤通信所面临的问题，本文设计了几种不同类型的OAM微结构光纤，并通过优化光纤结构中的具体参数，使得光纤既能支持多个OAM模式的稳定传输，同时各个模式又具有较低的色散及限制损耗等传输特性。论文的主要研究内容如下： 1.设计了一种支持22个OAM模式传输的高折射率环芯微结构光纤，该光纤支持的各个矢量模式之间有效折射率差值均大于10-4,满足OAM模式的传输条件。在1500～1600nm波长范围内，通过优化包层内部空气孔的物理参数，该光纤可支持传输的模式色散均能控制在0～50ps.nm-1.km-1范围内，并且各个模式的色散变化值均低于12.8ps.nm-1.km-1。此外，该光纤的模式限制损耗非常小，所支持的所有模式限制损耗在1550nm波段处均低于1.3549×10-9dB/m。通过调节光纤包层空气孔以及纤芯空气孔的位置，大小和紧密程度等参数，进一步详细地分析了光纤结构参数的改变对于OAM模式的传输特性的影响。该光纤具有低平坦色散、低限制损耗等优点，在OAM通信领域有潜在应用价值。 2.设计了一种纯二氧化硅微结构光纤，该光纤结构支持30个OAM模式的稳定传输，并且同样具有相对平坦和较低的色散特性，在1500nm到1600nm波段范围内，所有可支持传输的模式色散均被控制在50-100ps·nm-1·km-1之间。在1550nm波长处，可支持传输的模式限制损耗均小于8.17×10-10dB/m。通过调节内部的空气孔位置、间距、大小等参数，进一步详细地分析了结构参数变化对色散及可支持传输模式数量的影响。该光纤同样具有低色散、低限制损耗等特性，与较难实现的高掺杂环芯光纤相比，该微结构光纤由纯二氧化硅构成，生产更加容易可控，在未来的光纤通信系统中具有潜在的应用前景。

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作者
游永;
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作者单位

天津理工大学;

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授予单位天津理工大学;
学科信息与通信工程
授予学位硕士
导师姓名陈胜勇,黄薇;
年度 2019
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类光学;物理学;
关键词
轨道角动量; 光通信; 色散; 微结构光纤;

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