可支持10个OAM模式传输的超大模场面积多芯光纤制造技术

本发明专利技术涉及一种超大模场面积多芯光纤，该光纤纤芯由多个掺杂二氧化硅高折射率圆芯构成。通过改变该多芯光纤纤芯的数量、纤芯折射率、纤芯半径和纤芯到包层中心的距离，可以调节光纤的模式模场面积、色散、OAM模式纯净度、非线性系数等光学特性。在本发明专利技术所提出的参数结构下，在1500

【技术实现步骤摘要】
可支持10个OAM模式传输的超大模场面积多芯光纤


[0001]本专利技术属于光纤
，特别是一种可支持轨道角动量模式传输的超大模场面积多芯光纤。

技术介绍

[0002]轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)模式因其独特的光学特性，成为了近年来光纤通信等领域的研究热点。与光纤中普通的本征矢量模式不同，OAM模式由相位差为π/2的奇偶矢量模式叠加而成，在普通光纤中传输极易发生耦合，失去螺旋相位特性。要实现光纤OAM模式的长距离稳定传输，必须对光纤结构进行特殊设计，保证光纤中传输的TE、TM模式与HE或EH模式的有效折射率差在10
‑4以上，并且EH或HE的奇偶模式互相简并，才能避免矢量模式之间的相互耦合。
[0003]近年来，设计能够支持OAM模式稳定传输的特种光纤成为了光纤OAM通信领域的研究重点之一。然而，为了能够支持尽可能多的OAM模式稳定传输，目前已报道的OAM传输光纤大多由高折射率窄环芯结构构成，窄环芯提供的传输通道有限，较小的模场面积和较高折射率的掺杂二氧化硅将导致很高的非线性系数，不仅影响空分复用光纤通信系统性能，也限制了高功率OAM光纤激光器的研究发展。
[0004]为了降低非线性效应所带来的不良影响，研究人员已经研制出了一些可支持OAM模式传输的大模场面积光纤[Optics Express，27(20)：27991
‑
28008，2019]，这类光纤通过增加纤芯尺寸来增加有效模式面积，从而达到降低非线性效应的目的。然而，简单地增大纤芯尺寸，会导致矢量模式简并，从而影响OAM模式传输稳定性。因此，受限于OAM模式的传输特性，目前已报道的大模场面积OAM传输光纤的模式模场面积均在500μm2左右，所对应的模式非线性系数并未降到理想的数值。且OAM传输光纤设计需要考虑诸多光学特性参数，包括模式的传输限制损耗、通信色散、模场面积、非线性系数、矢量模型简并(模间有效折射率差值、是否满足OAM稳定传输条件)等诸多因素，因此，大模场面积的OAM传输光纤研发设计和结构优化存在很多困难。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对目前大模场面积OAM传输光纤研发领域存在的诸多问题，设计了一种可支持10个OAM模式传输的超大模场面积多芯光纤。该光纤由多个环形排布的纤芯构成，利用多芯光纤内不同纤芯之间的耦合效应，产生了超大模场面积的矢量超模，并最终利用矢量超模形成了OAM模式。通过改变该多芯光纤环形排布纤芯的数量、纤芯的材料折射率、纤芯半径和纤芯到包层中心的距离，可以调节光纤的模式模场面积、色散、OAM模式纯净度、非线性系数等光学特性。
[0006]在本专利技术所提出的光纤参数结构下，在1500
‑
1600nm波段，该光纤可支持10个OAM模式传输，不同阶次OAM模式模间有效折射率差均在10
‑4以上，满足OAM模式稳定传输条件，并且各个OAM模式的模场面积均在3160μm2以上。此外，在1550nm处，该光纤可支持传输的各
个OAM模式的纯净度均在99.9％以上，非线性系数均小于0.032W
‑1/km，色散在22
‑
24ps/nm/km之间。本专利技术提出的多芯光纤具有超大模场面积、高纯净度、低色散等特性，在OAM光纤通信系统及高功率OAM光纤激光器中有潜在的应用价值。
[0007]本专利技术所述的可支持10个OAM模式传输的超大模场面积多芯光纤包括纤芯和包层两个部分。纤芯部分是由多个半径为r、且材料折射率为n1的掺杂二氧化硅纤芯构成，包层部分由纯二氧化硅构成，每个纤芯到包层中心的距离均为L。设定纤芯材料折射率n1与包层材料折射率之间的关系为n＝(n1‑
n2)/n2(纯二氧化硅的材料折射率为n2)。通过改变多芯结构参数(例如纤芯数量、材料折射率n1、纤芯半径r、纤芯距离L)，可以在各个纤芯之间产生耦合超模，超模的模场能量覆盖所有纤芯区域，形成超大的模场面积。
[0008]本专利技术的优点：
[0009]本专利技术提出了一种可支持10个OAM模式传输的超大模场面积多芯光纤，与普通的高折射率环芯OAM传输光纤相比，该光纤不仅能够支持不同OAM模式(包括高折射率环芯OAM传输光纤相比，该光纤不仅能够支持不同OAM模式(包括)的稳定传输，不同本征模式之间的有效模式折射率差值达到了1
×
10
‑4以上，且各个OAM模式纯净度均超过99.9％，通过设计合理的结构，优化物理参数，该光纤在1500nm
‑
1600nm通信波段可支持传输的各个OAM模式的模场面积均达到了3160μm2以上，且具有较小的色散特性和极小的非线性系数。该光纤在OAM光纤通信系统及高功率OAM光纤激光器中有潜在的应用价值。
[0010]下面结合附图和实施对本专利技术进一步说明。
附图说明
[0011]图1为可支持OAM模式传输的超大模场面积多芯光纤横截面示意图；
[0012]图2为该超大模场面积多芯光纤所支持的各个OAM模式模场能量及相位分布图，图中标注的文字为各个OAM模式所对应的矢量模式种类及OAM模式的纯净度；
[0013]图3为该超大模场面积多芯光纤不同矢量模式的模场面积随波长的变化关系；
[0014]图4为该超大模场面积多芯光纤不同矢量模式的模间折射率差值随波长的变化关系；
[0015]图5为该超大模场面积多芯光纤不同矢量模式的色散随波长的变化关系；
[0016]图6为该超大模场面积多芯光纤不同矢量模式的非线性系数随波长的变化关系；
具体实施方式
[0017]下面结合附图对本专利技术和技术方案作进一步的具体说明。
[0018]一种可支持10个OAM模式传输的超大模场面积多芯光纤，横截面结构如图1所示。光纤的纤芯部分是由多个半径为r、且材料折射率为n1的高折射率纤芯构成，每个纤芯到包层中心的距离均为L。设定纤芯材料折射率n1与包层材料折射率之间的关系为n＝(n1‑
n2)/n2(纯二氧化硅的材料折射率为n2)。
[0019]选取该超大模场面积多芯光纤的包层材料为纯二氧化硅，纤芯材料为掺杂二氧化硅，纤芯个数为10个，纤芯半径r＝17.24μm，纤芯到包层中心距离L＝22.73μm，纤芯材料折射率n1与包层材料折射率n2的关系值n＝0.0243。在该结构参数下，光子晶体光纤的模式特性如图2至图6所示。
[0020]图2为本专利技术超大模场面积多芯光纤所支持的各个OAM模式模场能量及相位分布图，图中标注的文字为各个OAM模式所对应的矢量模式种类及OAM模式的纯净度。从图上可以看出，所有OAM模式相位均为螺旋分布，且模式纯净度均大于99.9％。
[0021]图3为该超大模场面积多芯光纤不同矢量模式的模场面积随波长的变化关系。从图上可以看出，在1500nm
‑
1600nm波长范围内，该光纤可支持传输的不同矢量模式的模场面积均能达到3160μm2以上。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可支持10个OAM模式传输的超大模场面积多芯光纤，包括纤芯和包层两部分，纤芯部分由多个半径为r、材料折射率为n1的圆芯构成，每个圆芯到包层中心的距离均为L。通过改变多芯光纤的结构参数(例如纤芯数量、材料折射率、纤芯半径、纤芯距离L)，可以在各个纤芯之间产生耦合超模，超模的模场能量覆盖所有纤芯区域，形成超大的模场面积，该光纤可支持多个具有超大模场面积的OAM模式的稳定传输。2.根据权利要求1所述的一种可支持10个OAM模式传输的超大模场面积多芯光纤，其特征在于：所述光纤的多个纤芯材料均为掺杂二氧化硅，包层材料为纯...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄薇，古志伟，陈胜勇，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：