一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量传输光纤制造技术

本发明专利技术公开了一种高纯度、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。本发明专利技术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-30dB的本征串扰。相比于一般的多模光纤，本发明专利技术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，本发明专利技术提出的单根光纤中可以支持190个以上的OAM传输信号。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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(r)=n1×1-2Δ(r/r0)&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(HE31e+jHE31o→<+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。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，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“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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术提供的一种高纯度、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。本专利技术提供的一种高纯度、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％。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、本专利技术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、本专利技术能在单个纤芯中支持10个以上的轨道本文档来自技高网...

【技术保护点】
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的值大于2.1。

【技术特征摘要】
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
通过对纤芯轴心至边缘进行能...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨中民，张智深，甘久林，衡小波，钱奇，陈东丹，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44