一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量传输光纤

技术领域

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 (Orbitalangularmomentum，OAM)传输光纤。

背景技术

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<s，l>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。

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：

$n\left(r\right)=n_1\times \sqrt{1-2\Delta {\left(r/r_0\right)}^{\alpha }}$

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)。

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^e+jHE₃₁^o→<+1，+2>，EH₁₁^e+jEH₁₁^o→<-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。

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(OpticsLetters,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， HE₃₁^e+jHE₃₁^o→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“IEEEPhotonicsJournal,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。

发明内容

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。

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。

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→0 mol％)，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％。

与现有技术相比，本发明的优点是：

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。

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。

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

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。

图2为示例1所述的OAM传输光纤的色散图。

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。

图4为示例2中所述的OAM传输光纤的示意性截面图。

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

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。

实施例1：

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， HE₃₁^e+jHE₃₁^o→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。

表1.光纤的本征模式有效折射率

实施例2：

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$n\left(r\right)=n_1\times \sqrt{1-2\Delta {\left(r/r_0\right)}^{\alpha }};$其中，$\Delta =\frac{{n_1}^2-{n_2}^2}{2{n_1}^2},0\le r\le r_0.$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。

实施例3：

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$\left(r\right)=n_1\times \sqrt{1-2\Delta {\left(r/r_0\right)}^{\alpha }};$其中，$\Delta =\frac{{n_1}^2-{n_2}^2}{2{n_1}^2},0\le r\le r_0.$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。

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。