一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤及其改进方法技术

本发明专利技术公开了一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤及其改进方法，所述双环光子晶体光纤将光纤内分为两个环形区域并在两个环形区域使用不同的材料。所述两个环形区域为内环和外环，内环包含两层气孔；外环包含四层气孔，气孔的直径和气孔层的间距与内环的一致；对内环和外环的矢量模式进行数值上的分离，内环基模的有效折射率n

【技术实现步骤摘要】
一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤及其改进方法


[0001]本专利技术专利属于光学领域，涉及一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤及其改进方法，具体为一种分离双环支持模式的有效折射率区间和减少外环对内环影响的方法。

技术介绍

[0002]在当今云计算和元宇宙的时代，激增的通信需求不断考验着现有通信系统的极限。为了应对这一挑战，人们提出了许多技术，如频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、偏振分复用(PDM)和波分复用(WDM)等。但这些解决方案依然难以跟上不断增长的通信需求。近些年，利用轨道角动量(OAM)模式及其复用已成为一种潜在的解决方案，模分复用(MDM)被誉为提高光通信系统传输能力的一种有前景的技术。OAM模式表现出独特的螺旋相位波前，表示为其中l和分别代表拓扑电荷和方位角。虽然OAM模式可以在光纤和自由空间中传播，但它们在自由空间中容易受到大气湍流的影响，影响长距离传输。相比之下，光纤作为一种特殊的传输介质，可以实现长距离通信，同时最大限度地减少外部干扰。
[0003]传统的单模或多模光纤无法满足OAM通信的需求，因为它们只能容纳有限的低阶OAM模式。为了能够传输更多的OAM模式，研究人员提出了微结构的光纤，如光子晶体光纤(PCF)、单环光纤和多环光纤。其中，光子晶体光纤已经成为重要的候选者，为稳定的OAM模式传输提供了高通信容量和卓越的性能。近年来，各种具有双同心环的PCF已经被处，以增加OAM模式的容量或满足特定的要求。然而，这些双环PCF的两个环芯通常是用相同的材料制造的，这会导致内环和外环的矢量模式的有效折射率相互靠近，可能会导致环间模式耦合，一旦这种耦合现象出现在内环和外环的不同模式之间，会导致发生耦合的两个模式严重干扰无法用于通信信道，因此，必须仔细考虑环间的模式耦合影响。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术首次提出将双环光子晶体光纤中两个环有用的矢量模式进行数值上的分离，内环基模的n
eff
要低于外环中最高阶矢量模式的n
eff
，确保这些有用的模式之间不会模式耦合而发生干扰。由于内环加内包层的区域材料与外环的不同，尽可能降低外环中的次生模式与内环的模式耦合而发生的干扰。
[0005]技术方案：一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤，所述双环光子晶体光纤将光纤内分为两个环形区域并在两个环形区域使用不同的材料，。
[0006]进一步的，所述两个环形区域为内环和外环，内环包含两层气孔；外环包含四层气孔，气孔的直径和气孔层的间距与内环的一致；对内环和外环的矢量模式进行数值上的分离，内环基模的有效折射率n
eff
低于外环中最高阶矢量模式的有效折射率n
eff
。
[0007]进一步的，外环使用二氧化硅，内环使用掺氟二氧化硅。
[0008]进一步的，内环使用的掺氟二氧化硅，掺杂浓度为10.02％。
[0009]一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤的改进方法，包括：
[0010]步骤(1)：将光纤内分为内外两个环形区域并在两个环形区域使用不同的材料；
[0011]步骤(2)：经过步骤(1)处理后，分析外部环形区域中的模式是否收到内部环形区域的影响以及内部环形区域中的模式受外部环形区域的影响程度。
[0012]进一步的，所述步骤(1)中，所述两个环形区域为内环和外环，内环包含两层气孔；外环包含四层气孔，气孔的直径和气孔层的间距与内环的一致。
[0013]进一步的，外环使用二氧化硅，内环使用掺氟二氧化硅。
[0014]进一步的，内环使用的掺氟二氧化硅，掺杂浓度为10.02％。
[0015]进一步的，步骤(1)中，对内环和外环的矢量模式进行数值上的分离，内环基模的有效折射率n
eff
低于外环中最高阶矢量模式的有效折射率n
eff
。
[0016]进一步的，步骤(2)中，对模式质量和约束损耗分析。
[0017]有益效果：所提出的方法将内环和外环中的矢量模式的n
eff
进行了整体的分离，这些可以当做信道传输的OAM模式之间永远不会发生干扰。内环中的部分模式在特定波长处受到了外环中高阶径向模式的影响，所提出的方法可以有效避免两个环中n
eff
相近的矢量模式发生严重耦合而造成模式无法被使用。
附图说明
[0018]图1为本专利技术减轻模式耦合的双环光子晶体光纤截面图；
[0019]图2为本专利技术内环和外环中支持的矢量模式图；
[0020]图3为本专利技术外环中支持传输的矢量模式的模式质量图；
[0021]图4为本专利技术外环中矢量模式的约束损耗图；
[0022]图5为本专利技术内环中矢量模式的模式质量图；
[0023]图6为本专利技术内环中矢量模式的约束损耗图；
[0024]图7为本专利技术内环中的HE
6,1
模式与外环中的EH
6,2
模式的电场分布图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0026]光纤中的OAM模式是由矢量本征模式(HE或EH)线性叠加而成的，具体叠加公式如下所示：
[0027][0028]其中，l是拓扑电荷，j指的是相同矢量模式的偶数模式和奇数模式之间的π/2相位差，而m描绘的是径向指数，上标
±
表示左手或右手的圆偏振方向，下标
±
表示相位波前的右旋或左旋方向。
[0029]图1提供了减轻双环光子晶体光纤环间模式耦合方法的概念图。如图1所示，两个同心环芯由不同的材料组成，通过材料的区别将PCF分为两个不同的部分。第一部分包括一个内径为r1＝8μm的内部掺氟(F)区域，伴随着一个中央气孔，如图1中的浅色环形部分所示。内包层包含了两层直径为d＝2微米的气孔。这些气孔层之间的间距为D＝2.5微米，而第一层气孔与光纤中心的距离为r2＝11.25微米。第二部分为外部纯二氧化硅区域，其特点是内径为r3＝15微米，如图1中深色环形部分所示。外包层包括四层气孔，第一层气孔与光纤
中心的距离为r4＝18.5微米。气孔的直径和气孔层的间距与内部区域的一致，光纤的半径为62.5微米。光纤的浅色环形部分的掺杂浓度为10.02％，在1.55微米的波长处的折射率为1.4。而深色环形部分的纯二氧化硅在1.55微米的波长处表现出1.444的折射率。
[0030]在具有双环芯的PCF中，一个环内相邻的矢量模式之间的n
eff
应大于10
‑4，以防止同一模式组内的OAM模式发生退化。此外，两个环所支持的矢量模式之间的折射率应超过10
‑4，以减轻环之间发生的模式耦合。然而，在实践中，两个环之间的所有模式的折射率差异很少在所有的通信频段上大于10
‑4。这是因为，除了激发所需的OAM模式外，还会产生不需要的高阶径向模式和干扰模式。为了减少两个环之间所需使用的矢量模式发生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤，其特征在于，所述双环光子晶体光纤将光纤内分为两个环形区域并在两个环形区域使用不同的材料。2.根据权利要求1所述的一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤，其特征在于，所述两个环形区域为内环和外环，内环包含两层气孔；外环包含四层气孔，气孔的直径和气孔层的间距与内环的一致；对内环和外环的矢量模式进行数值上的分离，内环基模的有效折射率n
eff
低于外环中最高阶矢量模式的有效折射率n
eff
。3.根据权利要求2所述的一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤，其特征在于，外环使用二氧化硅，内环使用掺氟二氧化硅。4.根据权利要求3所述的一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤，其特征在于，内环使用的掺氟二氧化硅，掺杂浓度为10.02％。5.一种减轻模式耦合的双环光子晶体光纤的改进方法，其特征在于，包括：步骤(1)：将光纤内分为内外两个环形区域并在两个环形区域使用不同的材料；步骤(2)：经过步骤(1)处理后，分析外部环形区域中的模式是否收到内部环形...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓晖，余永泽，邓冬冬，汪洋，毛帅，顾昊宇，庄立运，季仁东，杨松，何晓凤，朱铁柱，王超，杨玉东，张涛，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：