CN108957623B - 可支持18个oam模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤 - Google Patents

可支持18个oam模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

一种可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，包括纤芯层和包层两部分，包层由最内层一圈空气孔和环绕其布设的多层外圈空气孔组成，包层的最内层一圈空气孔为一圈直径为d1的空气孔。纤芯层是由一个直径为d0的空气孔构成，环绕最内层一圈空气孔有三层外圈空气孔，这三层外圈空气孔按圆环形呈周期性排列且每层均由一圈相同大小直径为d2的空气孔构成。本发明光纤的制造材料为纯二氧化硅，通过改变光纤空气孔的位置和大小，可以调节光纤的模式、色散等光学特性。通过优化光纤结构参数，该光纤可支持18个OAM模式的稳定传输，并且各个模式在1500nm‑1600nm通信波段内具有低色散、低限制损耗等特性。

Description

可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别是一种可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤。
背景技术
轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)光束以其丰富而奇异的光学特性成为了国内外的研究热点，并在光纤通信、非线性光学、微纳操控等领域占据了重要的地位。OAM通信技术作为OAM光束最重要的应用之一，是利用不同拓扑荷值的OAM模式相互正交的特性，将多个OAM光束作为独立的通道分别携带不同的光信息进行传输，大大提高了光纤通信的传输容量。
与传统光纤中传输的本征模式不同，OAM模式由相位差为π/2的HE或EH的奇偶模式叠加而成。因此，在普通光纤中，HE、EH、TE和TM本征模式随着传输长度的变化及外界影响很容易发生变形或相互耦合，影响OAM模式的稳定传输。因此，要实现OAM模式在光纤中长距离稳定的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。
近年来，各类可支持OAM传输的新型光纤相继被报道，最典型的就是各类高折射率环芯结构的OAM传输光纤(P.Gregg,et al,Conservation of orbital angular momentumin air-core optical fibers[J],Optica,2(3),2015.和S.Ramachandran,et al,On thescalability of ring fiber designs for OAM multiplexing[J],Optics Express,23(3),2015.等)。这类光纤以非常窄的高折射率环芯作为OAM模式的传输通道，其存在如下缺点：1、单一的结构与固有的光学特性限制了新型OAM光纤器件的改进与发展；2、细窄环芯的物理参数通常需要精确控制，且过高的折射率差值让这类光纤制造和实现起来较为困难。
为了克服这类高折射率环芯光纤的缺点，几种新型光子晶体OAM光纤被相继报道(Tian W,et al.A circular photonic crystal fiber supporting 26OAM modes[J].Optical Fiber Technology,30，2016；H.Zhang,et al,A New Type Circular PhotonicCrystal Fiber for Orbital Angular Momentum Mode Transmission[J],PhotonicsTechnology letters,28(13),2016和Z.Hu,et al,Photonic crystal fiber forsupporting 26orbital angularmomentum modes[J],Optics Express,24(15),2016)。这类光子晶体光纤结构和光学特性灵活多变，并且制造材料均为单一的纯二氧化硅，不仅温度稳定性更好且实现更加容易。然而目前已报道的这些纯二氧化硅光子晶体OAM光纤的色散特性都不太理想。
发明内容
本发明针对现有OAM光纤存在的色散大，损耗高，实现难度复杂等问题，设计了一种可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，该光子晶体光纤的色散特性好，可避免矢量模式之间的相互耦合，从而提高OAM模式的稳定传输且更易制造。
如上构思，本发明的技术方案是：一种可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，包括纤芯层和包层两部分，包层由最内层一圈空气孔和环绕其布设的多层外圈空气孔组成，包层的最内层一圈空气孔为一圈直径为d1的空气孔；其特征在于：纤芯层是由一个直径为d0的空气孔构成，环绕最内层一圈空气孔有三层外圈空气孔，这三层外圈空气孔按圆环形呈周期性排列且每层均由一圈相同大小直径为d2的空气孔构成。
所述纤芯层空气孔的直径d0＝20μm。
所述包层最内层一圈空气孔密布且它们的直径d1＝4μm。
所述三层外圈空气孔的直径为d2＝8μm。
所述纤芯层空气孔到包层最内圈空气孔之间的孔间距Λ0＝16.5μm。
所述包层最内层一圈空气孔和第二层外圈空气孔之间的孔间距Λ1＝6.5μm。
所述三层外圈空气孔之间的孔间距均为Λ2＝8.5μm。
所述纤芯层和包层的制造材料均为纯二氧化硅。
本发明提出了一种由纯二氧化硅材料制造的空气孔光子晶体光纤，与普通的高折射率环芯OAM传输光纤相比，该光子晶体光纤更易制造且稳定性好。通过设计合理的结构，优化空气孔位置及物理参数，该光纤在1500nm-1600nm通信波段可支持18个OAM模式的稳定传输，并且各个模式的色散均在40ps.nm-1.km-1-70ps.nm-1.km-1范围内，各个模式的色散变化值均小于10ps.nm-1.km-1。此外，该光纤的模式限制损耗非常小，在1550nm波段处，所支持的模式限制损耗均低于4.19×10-10dB/m。该光纤可用于光纤OAM模式的稳定传输及制造OAM光通信***相关器件。
附图说明
图1为本发明纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤的横截面示意图；
图2为本发明纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤所支持的各个本征模式模场分布图；
图3为本发明纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤中不同本征模式的有效折射率随波长的变化关系；
图4为本发明纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤不同本征模式之间的折射率差值随波长的变化关系；
图5为本发明纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤不同模式色散随波长的变化关系。
具体实施方式
一种可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，横截面结构如图1所示，包括纤芯层1和包层两部分，纤芯层是由一个直径为d0的空气孔构成，包层由最内层一圈空气孔2和环绕其布设的三层外圈空气孔3组成，包层的最内层一圈空气孔为一圈直径为d1的小型空气孔，三层外圈空气孔按圆环形呈周期性排列且每层均由一圈相同大小直径为d2的空气孔构成。
所述纤芯层空气孔到包层最内圈空气孔的间距为Λ0；所述包层最内圈小型空气孔和第二层外圈空气孔之间的孔间距为Λ1；所述三层外圈空气孔之间的孔间距均为Λ2。
选取该光子晶体光纤的制造材料为纯二氧化硅，所述纤芯层空气孔直径d0＝20μm；所述包层最内层一圈空气孔密布且它们的直径d1＝4μm；所述三层外圈空气孔直径为d2＝8μm；所述纤芯层空气孔到包层最内层一圈空气孔之间的孔间距Λ0＝16.5μm；所述包层最内层一圈空气孔和第二层外圈空气孔之间的孔间距Λ1＝6.5μm；所述三层外圈空气孔之间的孔间距均为Λ2＝8.5μm。在该参数下，光子晶体光纤的模式特性如图2至5及表1所示。
参考图2所示，为该光纤支持传输的各个本征模式的模场分布图；参考图图3所示，为各个本征模式的有效折射率随波长变化的曲线；参考图4所示为不同本征模式之间的有效折射率差值随波长变化的曲线；参考图5为各个模式的色散变化图；表1列出了可支持传输的这些模式在1550nm波长处的限制损耗。
图2至4结果表明，所述纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤可支持12个本征模式的传输，并且各阶本征模式与其他模式的有效折射率差值均大于1×10-4，保证了OAM模式的稳定传输。该光纤可支持
Figure BDA0001721882190000051
Figure BDA0001721882190000052
共计18个OAM模式的稳定传输。
图5结果表明，在1500nm-1600nm波长范围内，该光纤可支持传输的12个本征模式的色散值均小于70ps·nm-1·km-1，且所有模式的色散变化幅度在该波长范围内均不超过10ps·nm-1·km-1。其中，色散值最大的为EH41模式，该模式的色散值在1550nm波长处为64.11ps·nm-1·km-1，且该模式在1500nm-1600nm波长范围内的色散变化幅度为9.08ps·nm-1·km-1。图5结果表明，该空气孔光子晶体光纤具有较低和较平坦的色散特性。
表1为本发明光子晶体光纤中各个模式在1550nm波长处的限制损耗，结果表明，该空气孔光子晶体光纤具有较低的限制损耗，各个模式在1550nm波长处的限制损耗均低于4.19×10-10dB/m。
TE<sub>01</sub> HE<sub>11</sub> HE<sub>21</sub> HE<sub>31</sub> TM<sub>01</sub> EH<sub>11</sub>
3.67×10<sup>-10</sup> 2.73×10<sup>-10</sup> 4.19×10<sup>-10</sup> 2.71×10<sup>-10</sup> 2.48×10<sup>-10</sup> 9.49×10<sup>-11</sup>
HE<sub>41</sub> EH<sub>21</sub> HE<sub>51</sub> EH<sub>31</sub> HE<sub>61</sub> EH<sub>41</sub>
3.89×10<sup>-10</sup> 1.62×10<sup>-10</sup> 2.25×10<sup>-11</sup> 3.95×10<sup>-10</sup> 1.86×10<sup>-10</sup> 3.77×10<sup>-10</sup>
表1(单位dB/m)
本发明光纤的制造材料为纯二氧化硅，通过改变光纤空气孔的位置和大小，可以调节光纤的模式、色散等光学特性。通过优化光纤结构参数，该光纤可支持18个OAM模式的稳定传输，并且各个模式在1500nm-1600nm通信波段内具有低色散、低限制损耗等特性，该光纤在OAM光纤通信***中有潜在的应用价值。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，包括纤芯层和包层两部分，包层由最内层一圈空气孔和环绕其布设的多层外圈空气孔组成，包层的最内层一圈空气孔为一圈直径为d1的空气孔；其特征在于：纤芯层是由一个直径为d0的空气孔构成，环绕最内层一圈空气孔有三层外圈空气孔，这三层外圈空气孔按圆环形呈周期性排列且每层均由一圈相同大小直径为d2的空气孔构成；
所述纤芯层空气孔到包层最内层一圈空气孔之间的孔间距Λ0＝16.5μm；
所述包层最内层一圈空气孔和第二层外圈空气孔之间的孔间距Λ1＝6.5μm；
所述三层外圈空气孔之间的孔间距均为Λ2＝8.5μm。
2.根据权利要求1所述的可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯层空气孔的直径d0＝20μm。
3.根据权利要求1所述的可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，其特征在于：所述包层最内层一圈空气孔密布且它们的直径d1＝4μm。
4.根据权利要求1所述的可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，其特征在于：所述三层外圈空气孔的直径为d2＝8μm。
5.根据权利要求1所述的可支持18个OAM模式传输的纯二氧化硅空气孔光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯层和包层的制造材料均为纯二氧化硅。
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