轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤制造技术

本实用新型专利技术公开了一种轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤,包括纤芯、包层和涂覆层，光纤从中心向外依次为第一芯层、第二芯层、第一包层、第二包层、第三包层，第三包层最厚，第一芯层次之，第一包层最薄；第一包层的折射率最小，第二包层次之，第二芯层的折射率最大，第二芯层的折射率随半径的增大逐渐变小。本实用新型专利技术为解决下一代光纤通信系统空分复用技术的实用化重大需求，提出了一种轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤。该光纤波导在1530nm到1565nm波长范围内可以调控4个不同阶的光子轨道角动量OAM模式，抗弯曲能力强，模式易于分离并且模式间串扰低，该波导结构适合规模化生产，并能够应用于长距离光纤通信系统的稳定传输。的稳定传输。的稳定传输。

【技术实现步骤摘要】
轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤


[0001]本技术涉及光纤通信领域的一种空分复用新型光波导，尤其涉及一种抗弯曲低串扰光子轨道角动量(OAM)光纤。

技术介绍

[0002]为了便于理解，本技术涉及的专业术语如下：
[0003]OAM:轨道角动量(Orbital Angular Momentum)，轨道角动量表示电子绕传播轴旋转，是由能量流(由坡印廷矢量描述)围绕光轴旋转而产生的，它使电磁波的相位波前呈涡旋状。
[0004]SAM：自旋角动量(Spin Angular Momentum)，自旋角动量仅与光子的自旋有关，表现为圆偏振状态。
[0005]折射率剖面(RIP)：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)的折射率与其半径之间的关系曲线。
[0006]环形芯渐变折射率剖面分布函数：其中r1≤r≤r2，r
a
＝(r1+r2)/2，d＝r2‑
r1，n为折射率，n1一般情况为芯中间的折射率，n2一般情况为包层或者边缘折射率，r1和r2分别为不同折射率层n1层和n2层的半径，g为折射率剖面分布参数。
[0007]WDM:波分复用(Wavelength Division Multiplexing)
[0008]QAM:正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation)
[0009]QPSK:正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying)
[0010]MIMO:多输入多输出(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Out
‑
put)
[0011]SDM:空分复用(Space Division Multiplexing)
[0012]香农极限(Shannon limit)：通信信道的香农极限或香农容量(Shannon capacity)是针对特定噪声水平的信道的理论最大信息传输速率。著名的香农定理用公式给出:C＝B
×
log2(1+S/N)，其中C是可得到的链路速度(信道容量)，B是链路的带宽，S是平均信号功率，N是平均噪声功率，信噪比(S/N)通常用分贝(dB)表示，分贝数＝10
×
lg(S/N)。
[0013]量子隧穿效应(QTE)：量子隧穿效应(Quantum tunnelling effect)为一种量子特性，像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为，尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。根据量子力学，微观粒子具有波的性质，而有不为零的机率穿过势障壁。
[0014]从光纤通信容量发展趋势来看，基于目前广泛采用的波分复用(WDM)及各种高级调制技术(QAM、QPSK等)，现有光纤通信系统已经逼近并很快将达到标准单模光纤(SMF)传输容量的ShannonLimit(香农极限)。5G(第5代移动通信)使用的低频频段，与我们现在用的4G(第4代移动通信)没有本质差异，主要是通过多输入与多输出技术(MIMO)，非正交复用技术(NOMA)来提升信道的容量。到了6G阶段，由于5G技术已经逼近“香农极限”，所以会采取提
升信道带宽的方式，而信道的带宽核心在于“信息承载的媒质—光纤材料”。5G传输的数据爆炸式增长，6G面临许多新的传输难题，如何突破传输容量瓶颈已迫在眉睫。
[0015]从近年来针对提升光纤通信容量的研究进展来看，利用光纤的高阶矢量模式
‑‑
光子轨道角动量(OAM)作为新的维度进行空分复用(SDM)，已经成为光纤通信领域的研究和应用热点方向。OAM光子轨道角动量光纤可以携带光子轨道角动量信息，从科学理论角度可以推论，轨道角动量的拓扑电荷数可以无限拓展，可有效地扩充光通信复用规模。光子不但具有沿传播方向纵向的线动量，同时还拥有与光偏振特性相关的角动量，即自旋角动量(SAM)。而OAM不同于SAM，OAM光束拥有与角向位相分布相关的位相结构，因而携带了轨道角动量。光子轨道角动量OAM对应无穷多个本征值，理论上可以构建Hilbert无限维空间，具有无穷多个本征模态，各模式之间相互正交，光子的轨道角动量为光子带来了一个全新的自由度，在利用光子进行经典或量子信息处理时，可以制备出光子自旋、轨道角动量纠缠实现高维量子信息系统在光通信中，可以用于承载信息可提高通信系统的数据容量，在高数据容量通信系统具有优良的优势，可实现高容量、高速率、大规模的光通信网络组网。
[0016]在目前的光纤通信领域，由于现网中广泛使用的是单模光纤传输，而传统单模光纤支持的传输模式必须是基模，具有螺旋相位波前的OAM波在单模光纤中传输是会由于模式简单简并退化成平面波，因此需要特殊设计结构的光纤传输OAM信道。2013年，美国Boston University大学Alan E.Willner团队利用特殊设计的光纤来传输OAM光束[Nenad Bozinovic,Siddharth Ramachandran.Terabit
‑
scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers[J].Science,2013,340(6140):1545
‑
1548]，实现了1.6Tbit/s的光信息传输，传输光纤长为1.1km，这项研究为未来基于OAM的光通信技术的光纤传输提供了可能性。近年来，利用光子轨道角动量维度进行空分复用通信的研究成为大容量通信领域的研究热点。
[0017]然而，实际上OAM光束除了在传输过程中会引发光束尺寸变大、模式串扰等新问题，其固有的一些属性也会给接收端孔径适配，以及接收端检测到OAM值的准确分类带来挑战。另一方面，OAM光束的产生方法也面临挑战，OAM光束主要分为在空间中生成和在光纤中生成。在空间中生成OAM模式光束有两种方法：第一种方法利用激光器直接输出OAM光束，这是腔内产生的方式，在激光器腔内对激光束进行调制产生OAM光束，但产生这种OAM光束的生成成本较高，OAM模式稳定性容易受到影响，而且OAM模式纯度低；第二种为利用空间结构器件，但是器件较多，结构复杂，同样面临OAM模式稳定性与模式纯度的问题；第三种方法则是在光纤中生成与传输，在光纤中产生的方法既简化了光学结构，且相位纯度更高，OAM光束通过对应光纤中相应阶数矢量模式的叠加得到，其相位纯度更高。为此，各国科学家纷纷开展能够产生优良OAM模式的波导结构研究。
[0018]美国专利US20190170933A1提出了一种用于多模照明的光学成像用涡旋光纤，该光纤能够产生两阶OAM模式，主要用于产生圆形光束用于照明，传输距离短，不适合通信领域应用。
[0019]世界专利WO2017210679A1提出了一种制造涡旋光纤的系统和方法，该方法没有明确提出涡旋光纤的结构参数以及OAM模式特性。
[0020]美国专利US8948559B2提出了一种空分复用的多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤,包括纤芯、包层和涂覆层，其特征在于：光纤从中心向外依次为第一芯层、第二芯层、第一包层、第二包层、第三包层，第三包层最厚，第一芯层次之，第一包层最薄；第一包层的折射率最小，第二包层次之，第二芯层的折射率最大，第二芯层的折射率随半径的增大逐渐变小。2.根据权利要求1所述的轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤,其特征在于：第一芯层半径r1和第二芯层半径r2的满足关系函数关系A＝k1×
10
×
log(r2/r1)/(L
‑
2),k1取值范围为0.36
‑
1.52，L取值范围为3到9的正整数，A的范围为0.06446到1.61151。3.根据权利要求1所述的轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤,其特征在于：第一包层半径r3与第二芯层半径r2满足函数关系B＝k2×
10
×
log(r3/r2)
×
(L
‑
2),k2的取值范围为0.66
‑
1.37，L取值范围为2到9的正整数，B的范围为0到3.4649。4.根据权利要求1所述的轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤,其特征在于：第一芯层折射率n1与第三包层折射率n5的折射率差在
‑
0.00029到
‑
0.01603。5.根据权利要求1所述的轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤,其特征在于：第二芯层折射率n2与第三包层折射率n5的折射率差在0.017485到0.037885。6.根据权利要求1所述的轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤,其特征在于：第一包层折射率n3与第三包层折射率n5的折射率差在
‑
0.005到
‑
0.0153。7.根据权利要求1所述的轨道角动量大容量长距离空分复用通信光纤,其特征在于：第二包层折射n4与第三包层折射率n...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟，庞拂飞，王廷云，黄素娟，张小贝，文建湘，董艳华，黄怿，张颖，王洋，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：新型
国别省市：