一種可傳輸22個光子角動量模的光子晶體光纖的制作方法

本發明涉及光通信技術領域，尤其是一種可傳輸22個光子角動量模的光子晶體光纖。

背景技術：

光子晶體光纖(pcf)是在現代光纖技術的基礎上興起的一個新研究領域，由于它的包層中二維光子晶體結構可以靈活的設計，使其具有諸多優異的光學特性，如無截止單模傳輸、可調節的色散、高雙折射、大模場面積和高非線性等特性，因此pcf的研究一直是光通信和光電子領域科學家們關注的熱點。光子軌道角動量(oam,orbitalangularmomentum)在理論上具有無限多不同量子態的正交基，所以它可以提供一種新的復用機制。基于光子晶體光纖的oam傳輸光纖，支持的oam模式數多，且模式間串擾小，限制損耗小，色散小，因此可將oam模式復用應用到光通信中，來大幅度提升光通信容量。

光纖中存在的光波模式可分為:he、eh、te和tm等4種，he和eh模式又可分為奇偶模。在光纖中，將相位差為π/2的同階奇偶模式(he或eh)線性疊加，即可得到oam模式。因此，光子晶體光纖中的oam模式也可表達為光纖中同階矢量模的奇模和偶模的疊加。所以研究光子晶體光纖中oam的傳輸問題，首要任務是研究光子晶體光纖中可傳輸的矢量模he和eh模。故要將oam復用應用到光通信中來提升通信容量，應使光纖中傳輸的oam模式數盡可能的多。

基于光子晶體的oam傳輸光纖具有以下優勢:：環形的高折射率區不需要的額外的摻雜，結構參數設計靈活，支持的oam模式數多，且模式間串擾小，限制損耗小，色散小。

在光通信領域中，密集波分復用、正交頻分復用、模分復用等復用技術日漸興起，但是均受限于電磁通信容量資源有限。由于軌道角動量是除光強、頻率、偏振外的一個新的自由度，理論上光子軌道角動量可取無限值，將其用于光通信可以大幅提高光通信容量，已成為光通信領域研究的熱點。基于光子軌道角動量的自由空間光通信，已經可以實現2.56tbit/s以上的超高速數據傳輸，但受大氣湍流影響嚴重，傳輸距離較短。基于oam的光纖通信研究還較少，因傳統的光纖是不能傳輸oam的，研究者們設計出了環光纖可用來傳輸oam，最近又有研究者提出了光子晶體光纖可以傳輸oam。但傳統的六邊形光子晶體光纖由于六角對稱的結構，傳輸的oam模式只有兩個，且損耗較大。

技術實現要素：

發明目的：為解決現有技術中光子晶體光纖傳輸的oam模式少且損耗較大的技術問題，本發明提出一種可傳輸22個光子角動量模的光子晶體光纖，本發明將光子晶體光纖的纖芯設計為一圓形空氣孔，且包層圍繞纖芯呈環形對稱結構，這種結構可明顯增加oam的模式數。

技術方案：為實現上述技術效果，本發明提出的技術方案為：

一種可傳輸22個光子軌道角動量模的光子晶體光纖，該光纖的橫截面包括：由橫截面圓心向外依次設置的纖芯、環形高折射率層和環形包層；其中，

纖芯設置于光纖橫截面中心，為一個空氣孔；

環形高折射率層和環形包層為與纖芯同心的圓環層；且環形高折射率層和環形包層均采用石英材料制成；

環形包層中沿圓心向外依次設置有四層同心圓環層，分別為：包層一、包層二、包層三和包層四；包層一由36個圓環形均勻排列的方形空氣孔組成，相鄰兩個方形空氣孔對圓心之間的夾角為10°,包層二由30個圓環形均勻排列的圓形空氣孔組成，相鄰兩個圓形空氣孔對圓心間夾角為12°；包層三由36個圓環形均勻排列的圓形空氣孔組成，相鄰兩個圓形空氣孔對圓心間夾角為10°；包層四由40個圓環形均勻排列的圓形空氣孔組成，相鄰兩個圓形空氣孔對圓心間夾角為9°；包層二、包層三和包層四的層間距相同，且包層二、包層三和包層四中的圓形空氣孔大小相同。

進一步的，所述纖芯的直徑為11μm；所述環形高折射率層的厚度為1.5μm；所述包層一和包層二之間的層間距為1.4μm；包層二和包層三之間的層間距以及包層三和包層四之間的層間距均為1.9μm；所述方形空氣孔的邊長為1μm，所述圓形空氣孔的直徑為1.6μm。

有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優勢：

1、本發明利用光子晶體光纖結構參數可靈活設計的特性，將光纖結構設計為纖芯為空氣孔，纖芯和包層之間的環形區域為高折射率區，使得輸入光波時，光能量主要集中在環形高折射率區域，只有極少部分會泄露至包層；高折射率區和背景材料為同一種材料，即環形區域不需要額外的摻雜來獲得高折射率，而且環形區域大小可靈活設計；

2、最內層的方形空氣孔使得中間環形高折射率區與oam模式的環形強度分布匹配得更好，可減少泄漏至包層的模式，從而可以支持更多的oam模式。當輸入波長為1500-1600nm時，支持的oam模式數可達22個；

3、本發明中，光子晶體光纖結構參數可以靈活調整，通過對該光纖結構的參數進行優化設計，可實現不同軌道角動量模式間大于10^-4的有效折射率差，從而可以有效地抑制傳輸過程中的模間串擾，改善光子晶體光纖中軌道角動量模式的傳輸性能；

4、本發明在1500-1600nm波段可支持的oam模式數達22個，各模式間串擾少，大部分模式限制損耗低(<10^-7db/m),色散小，非線性系數小。例如，在1550nm，he2,1模式的色散只有53.29ps/nm·km，eh10，1模式的非線性系數最小為1.49km^-1·w^-1。

附圖說明

圖1為實施例的截面圖；

圖2為四分之一結構截面圖，圖中標明了該結構的各種參數；

圖3為利用基于有限元法的comsol仿真軟件對本發明所述光子晶體光纖支持的oam模式進行數值計算，得到的he模式最高階模he12，1的ez場強分布圖；

圖4為利用基于有限元法的comsol仿真軟件對本發明所述光子晶體光纖支持的oam模式進行數值計算，得到的eh模式的最高階模eh10，1的ez場強分布圖；

圖5為根據仿真結果得到的∣hem，1-ehn,1∣(m＝3-12,n＝1-10)模式有效折射率差δneff隨波長λ變化的示意圖；

圖6為根據仿真結果得到的hem，1(m＝2,6,8,10,12)和ehn,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散d隨波長λ變化的示意圖；

圖7為根據仿真結果得到的hem，1和ehn,1(m＝1-6,n＝1-5)模式有效面積aeff隨波長λ變化的示意圖；

圖8為根據仿真結果得到的hem，1和ehn,1(m＝7-12,n＝5-10)模式有效面積aeff隨波長λ變化的示意圖；

圖9為根據仿真結果得到的hem，1和ehn,1(m＝1-6,n＝1-5)模式非線性系數γ隨波長λ變化的示意圖；

圖10為根據仿真結果得到的hem，1和ehn,1(m＝7-12,n＝5-10)模式非線性系數γ隨波長λ變化的示意圖；

圖中：1、纖芯，2、環形高折射率層，3、包層一，4、包層二，5、包層三，6、包層四。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1至2所示為本發明一個實施例的結構圖，圖中顯示了可傳輸22個光子軌道角動量(oam)模式的光子晶體光纖，該光纖包括由橫截面圓心向外依次設置的纖芯1、環形高折射率層2和環形包層，纖芯1設置于光纖橫截面中心，為一個大的空氣孔；環形高折射率層2和環形包層為與纖芯1同心的圓環層，且環形高折射率層2和環形包層均為石英材料，石英材料的折射率n＝1.444，非線性折射率n2＝2.3×10^-20m²·w^-1。

環形包層中從內至外依次設置四個同心圓環形包層，分別為：包層一3、包層二4、包層三5、包層四6。包層一3由36個方形空氣孔組成，相鄰兩個方形空氣孔對圓心間夾角為θ1(10°)，包層二4由30個圓形空氣孔組成，相鄰兩個圓形空氣孔對圓心間夾角為θ2(12°)，包層三5由36個圓形空氣孔組成，相鄰兩個圓形空氣孔對圓心間夾角為θ3(10°)，包層四6由40個圓形空氣孔組成，相鄰兩個圓形空氣孔對圓心間夾角為θ4(9°)；且包層的基底材料為石英，包層二3、包層三4和包層四5的圓形空氣孔大小相同，相鄰層間距相同，每層圍繞中心纖芯成圓形對稱分布。本發明在1500-1600nm波段可支持的oam模式數均可達22個。

上述實施例的具體參數為：纖芯1的直徑d0＝11μm,環形高折射率層厚d＝1.5μm，包層一3到包層二4的層間距λ1＝1.4μm，包層二4、包層三5和包層四6這三層中，相鄰層的層間距λ2＝1.9μm。方形空氣孔邊長dsquare＝1μm，圓形空氣孔邊長dcircle＝1.6μm。

下面通過具體仿真結果，說明本發明的有益效果。

基于上述實施例中所述的具體參數設置，利用基于有限元法的comsol仿真軟件對實施例中oam光子晶體光纖中支持的oam模式進行數值計算，得到如圖3所示的he模式最高階模he12，1的ez場強分布圖和圖4所示的eh模式的最高階模eh10.1的ez場強分布圖。將comsol仿真的結果數據導入origin畫圖軟件中，得到：

圖5所示的∣hem，1-ehn,1∣(m＝3-12,n＝1-10)模式有效折射率差δneff隨波長λ變化的示意圖；圖7所示的hem，1和ehn,1(m＝1-6,n＝1-5)模式有效面積aeff隨波長λ變化的示意圖；圖8所示的hem，1和ehn,1(m＝7-12,n＝5-10)模式有效面積aeff隨波長λ變化的示意圖；圖9所示的hem，1和ehn,1(m＝1-6,n＝1-5)模式非線性系數γ隨波長λ變化的示意圖；圖10所示的hem，1和ehn,1(m＝7-12,n＝5-10)模式非線性系數γ隨波長λ變化的示意圖。

將comsol仿真的結果數據導入到matlab中經編程運算得到色散數據，再將色散數據導入origin畫圖軟件中，得到圖6所示的hem，1(m＝2,6,8,10,12)和ehn,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散d隨波長λ變化的示意圖。

從上述仿真結果可知，本發明通過對所述的光子晶體光纖結構的參數進行優化設計，可實現不同軌道角動量模式間大于10^-4的有效折射率差，從而可以有效地抑制傳輸過程中的模間串擾，改善光子晶體光纖中軌道角動量模式的傳輸性能。

本發明設計的結構不同于傳統的環光纖要求摻雜獲得高折射率和精準的環形厚度設計，它不需要額外的摻雜來獲得高折射率，背景材料只需要選擇一種高折射率材料即可，而且環形區域大小可靈活設計，工藝容差性高。本發明的光纖結構通過改變傳統光子晶體光纖的纖芯和包層結構，可傳輸多個he和eh模式。比傳統的環光纖在結構設計上更靈活，傳輸的模式數更多。基于光子軌道角動量每個模式間都是相互正交的，將oam模式復用應用到光通信中，可以大幅度提升光通信容量。本發明在1500-1600nm波段可支持的oam模式數均可達22個。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。