一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤制造技术

本发明专利技术公开了一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，包括：中央空气孔、基底材料、环形阵列纤芯区和包层区，中央空气孔的圆心位于光纤中央，环形阵列纤芯区包括光纤基底和多个沿着中央空气孔均匀排列的掺杂石英柱，所述包层区位于环形阵列纤芯区的外侧并与中央空气孔共圆心，所述包层区是由第一包层、第二包层、第三包层和第四包层构成的环形微结构包层，其中，第一包层、第二包层、第三包层和第四包层分别由42、48、54、60个环形均匀排列的的圆形空气孔构成。本发明专利技术光纤的工作波长范围为1.0‑1.8um，在工作波长范围内可支持60个轨道角动量模式，各模式限制损耗低，色散小，有效模式面积大。

A Supermode Microstructure Fiber for Transmission of Orbital Angular Momentum

The invention discloses a super-mode microstructured optical fiber for transmitting orbital angular momentum, which comprises a central air hole, a base material, an annular array core area and a cladding area. The center of the central air hole is located in the center of the optical fiber. The annular array core area includes an optical fiber base and several doped quartz columns arranged uniformly along the central air hole, and the cladding area is located in the annular array core area. The outer and central air holes are concentric. The cladding area is a ring-shaped micro-structure cladding composed of the first cladding, the second cladding, the third cladding and the fourth cladding. The first cladding, the second cladding, the third cladding and the fourth cladding are composed of 42, 48, 54 and 60 circular air holes arranged uniformly. The working wavelength range of the optical fiber of the invention is 1.0 1.8um, and 60 orbital angular momentum modes can be supported in the working wavelength range. Each mode has low limiting loss, small dispersion and large effective mode area.

【技术实现步骤摘要】
一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤
本专利技术涉及光纤通信领域，特别涉及到一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤。
技术介绍
光纤作为光信号传输载体，成为光通信系统中最重要的一部分。现行的光纤通信网络大多采用波分复用、时分复用等复用技术来扩充容量。但是随着现代社会的进步和信息时代的蓬勃发展，人们对于网络带宽的要求越来越高，而基于波分复用等技术的光纤通信系统的容量已越来越接近香农极限。为了扩充通信容量，近年来人们将空分复用技术应用于光纤通信。轨道角动量作为光除了波长、强度、频率和偏振外的另一个自由度，成为新的信息数据载体，近年来广泛应用于光纤空分复用技术，以提升通信容量。为了稳定传输轨道角动量，人们在设计此类光纤时主要采取三种方案：(1)环芯光纤。由横截面圆心向外依次为中央空气孔、环形芯区、沟槽区和包层区，环形芯区对基底材料进行高折射率掺杂，沟槽区对基底材料低折射率掺杂，包层区为基底材料。通过环形芯区对两侧的高折射率对比，使得光纤矢量模之间的有效折射率差达到10-4以上，避免形成线偏振模。比如，现有技术设计的传统环形芯区光纤，中央为空气孔，环形芯区采用SiO2和GeO2的混合介质，沟槽区采用SiO2、P2O5和F的混合介质，最外层是包层，可支持34个轨道角动量模式，但是由于光纤芯区的高掺杂导致高损耗，文中报导光纤的损耗在db/m的数量级。(2)环芯微结构光纤。由横截面圆心向外依次为中央空气孔、环形芯区和包层区，环形芯区为基底材料，包层区是在基底中引入周期性排布的空气孔。通过在包层引入微结构，加强了对光的限制，同时降低了包层区的折射率，增加了环形芯区与包层的折射率差，形成高折射率对比，使得光纤的矢量模之间的有效折射率差达到10-4以上，避免形成线偏振模。比如现有技术设计的环芯光子晶体光纤，支持26个轨道角动量模式，利用4层空气孔包层降低了限制损耗，在1.55um处最大限制损耗为0.003db/m，但是由于环芯区域宽度的限制，无法灵活的增加轨道角动量模式，即环芯区域宽度增加时，矢量模之间的有效折射率差减小，容易形成线偏振模，影响轨道角动量稳定传输，同时，环芯区域宽度增加容易产生径向高阶模式，增大解复用的难度。(3)多芯光纤。多个高掺杂折射率柱相对于圆心等角环形分布于基底材料上作为纤芯，每个纤芯的半径、掺杂浓度和对光纤圆心的距离等参数均一致，并具有旋转对称性。各芯耦合产生超模，通过同阶中相位差为的超模得到轨道角动量模式，通过模式耦合增大了轨道角动量模式的有效模面积。比如，现有技术有一种设计的多芯耦合光纤，采用6芯均匀分布于基底材料上，产生的超模在1.55um处的最大有效模面积为536.2um2，但是模式的数量严重受限于纤芯的数量，文中报导多芯耦合光纤的轨道角动量最大的阶数小于纤芯数量的一半，即最多产生2阶轨道角动量。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，并通过以下技术方案实现：一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，包括：中央空气孔、环形阵列纤芯区和包层区，其中，所述中央空气孔的圆心位于光纤中央，其半径为R0，所述环形阵列纤芯区包括光纤基底和多个沿着中央空气孔均匀排列的掺杂石英柱，所述光纤基底的折射率为n0，掺杂石英柱的折射率为n1，各掺杂石英柱半径为r0，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距为Λ0，掺杂石英柱的圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1，所述包层区位于环形阵列纤芯区的外侧并与中央空气孔共圆心，所述包层区是由第一包层、第二包层、第三包层和第四包层构成的环形微结构包层，其中，第一包层、第二包层、第三包层和第四包层分别由42、48、54、60个环形均匀排列的的圆形空气孔构成，每个包层的空气孔的半径为r1，每一包层的相邻空气孔间距为Λ1，第一包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R2，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R3，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R4，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R5。进一步地，所述中央空气孔的半径R0的范围为18.4-18.6um。进一步地，所述光纤基底材料为纯石英玻璃。进一步地，所述环形阵列纤芯区的掺杂石英柱数量为20。进一步地，所述掺杂石英柱的折射率n1在波长为1.55um处的范围为1.457-1.463um，掺杂石英柱的半径r0的范围为2.98-3.02um，掺杂石英柱圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1的范围为22.2-22.6um，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距Λ0的范围为6.95-7.07um。进一步地，第一包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R2的范围为27.8-28.2um，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R3的范围为31.8-32.2um，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R4的范围为35.8-36.2um，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离R5的范围为39.8-40.2um，相邻空气孔间距Λ1的范围为4.15-4.21um。进一步地，每个包层的空气孔的半径为r1的范围为1.58-1.62um。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：(1)本专利技术光纤可支持的轨道角动量模式多，可支持15阶轨道角动量模式，即，可传输60个轨道角动量模式；(2)本专利技术光纤的限制损耗低，在1.00-1.80um波长范围内限制损耗最低为1.363×10-8db/km；(3)本专利技术光纤的有效模式面积大，在1.00-1.80um波长范围内，最大为661um2。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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专利技术的一些实施例，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它附图。图1是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤实施例的截面图；图2是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤四分之一结构截面图；图3是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤1阶LP01超模的场强图；图4是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤10阶LP11超模的场强图；图5是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤0阶至9阶LP01超模相邻模式间的有效折射率差随波长的变化示意图；图6是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤9阶LP01超模和10阶LP11超模的有效折射率差随波长的变化示意图；图7是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤10阶至15阶LP11超模相邻模式间的有效折射率差随波长的变化示意图；图8是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤各超模的限制损耗随波长的变化示意图；图9是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤各超模的色散随波长的变化示意图；图10是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤0阶至9阶LP01超模的有效模式面积随波长的变化示意图；图11是本专利技术的用于传输轨道角动量的超模微结构光纤10阶至15阶LP11超模的有效模式面积随波长的变化示意图；图中，1-中央空气孔，2-光纤基底，3-环形阵列纤芯区，4为第一包层，5-第二包层，6-第三包层，7-第四包层。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，包括：中央空气孔、环形阵列纤芯区和包层区，其中，所述中央空气孔的圆心位于光纤中央，其半径为R0，所述环形阵列纤芯区包括光纤基底和多个沿着中央空气孔均匀排列的掺杂石英柱，所述光纤基底的折射率为n0，掺杂石英柱的折射率为n1，各掺杂石英柱半径为r0，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距为Λ0，掺杂石英柱的圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1，所述包层区位于环形阵列纤芯区的外侧并与中央空气孔共圆心，所述包层区是由第一包层、第二包层、第三包层和第四包层构成的环形微结构包层，其中，第一包层、第二包层、第三包层和第四包层分别由42、48、54、60个环形均匀排列的的圆形空气孔构成，每个包层的空气孔的半径为r1，每一包层的相邻空气孔间距为Λ1，第一包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R2，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R3，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R4，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R5。

【技术特征摘要】
1.一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，包括：中央空气孔、环形阵列纤芯区和包层区，其中，所述中央空气孔的圆心位于光纤中央，其半径为R0，所述环形阵列纤芯区包括光纤基底和多个沿着中央空气孔均匀排列的掺杂石英柱，所述光纤基底的折射率为n0，掺杂石英柱的折射率为n1，各掺杂石英柱半径为r0，相邻的掺杂石英柱圆心之间间距为Λ0，掺杂石英柱的圆心与中央空气孔的圆心的间距为R1，所述包层区位于环形阵列纤芯区的外侧并与中央空气孔共圆心，所述包层区是由第一包层、第二包层、第三包层和第四包层构成的环形微结构包层，其中，第一包层、第二包层、第三包层和第四包层分别由42、48、54、60个环形均匀排列的的圆形空气孔构成，每个包层的空气孔的半径为r1，每一包层的相邻空气孔间距为Λ1，第一包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R2，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R3，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R4，第二包层的圆形空气孔的圆心与光纤圆心距离为R5。2.根据权利要求1所述的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其特征在于，所述中央空气孔的半径R0的范围为18.4-18.6um。3.根据权利要求1所述的一种用于传输轨道角动量的超模微结构光纤，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，徐海东，林天旭，朱维震，董婷婷，卿源，杨琪豪，李正然，周凡迪，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13