[发明专利]一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤

说明书

本发明涉及一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤，包括光纤基底、环形纤芯、包层空气孔、负曲率玻璃管；所述包层空气孔环形排布在环形纤芯的外壁，所述负曲率玻璃管环形排布在包层空气孔的外层。所有模式通过全反射被束缚在环形纤芯中，再由负曲率玻璃管的反谐振效应加强模式束缚能力。环形纤芯折射率分布与轨道角动量模式能量分布相匹配，能有效地调节光纤中各个本征矢量模式的有效折射率差，通过设计环形纤芯管壁厚度与环形纤芯尺寸来控制模式数量以及模式分离度。负曲率玻璃管的厚度对光传播具有反谐振效果，并实现矢量模式的截止条件。本发明可以实现无多入多出数字信号处理的短距大容量模分复用传输。

技术领域

本发明属于光纤通信领域，涉及一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤。

背景技术

空分复用和模分复用技术是现如今扩大传输容量的两种有效手段。在众多空分复用应用中，多芯光纤是最直接的复用方式，其中低串扰的19芯光纤已经被报道。但是该设计很难形成规模，因为扩大包层直径来容纳更多纤芯或者减小纤芯间距来提升纤芯密度对于光纤性能都会造成不利的影响。前者会使得光纤更容易折断，而后者则会带来更大的芯间串扰。较之多芯光纤，基于模分复用的少模光纤则是更集成化的实现方式。然而，对于传统的阶跃少模光纤来说，每个模组中的本征模都接近简并状态，他们的光功率由于外界扰动很容易耦合在一起造成严重的模间串扰从而限制最终传输系统的性能，所以如何降低模式间的耦合是一个非常重要的研究方向。诚然，多入多出的数字信号处理可以用来解开各个强耦合模式并且基于多入多出的数字信号处理已被证明可以用在12入12出的模式解复用中。但是，对于例如有低延迟大容量传输需求的高性能计算系统，多入多出的数字信号处理所带来的时间和软硬件成本将变得不可忽视。因此，在光纤中寻求新的复用方式变得格外迫切。

轨道角动量是模分复用的另一种复用形式，近年来在通信容量密度和兼容性等方面取得了重大突破。轨道角动量是光子的一种准本征属性，其在光束中宏观表现为电磁场的空间相位分布沿角向满足整数自洽性。轨道角动量通信研究的核心是把光子轨道角动量这一尚未利用的电磁波参数维度用于通信，充分利用光子轨道角动量大幅度提高通信系统的频谱效率和容量。轨道角动量模式由同一个本征矢量模的奇偶模叠加而成（叠加时相位偏离π/2），由于本征矢量模的有效折射率有足够的分离度，所以轨道角动量模式无需多入多出的数字信号处理便可以实现大容量模分复用传输。

环形光纤被广泛应用于轨道角动量模式的传输，其中环形光子晶体光纤具有更大的纤芯包层折射率差可以更有效地分离本征模式的传播常数。反谐振光纤由于其新颖的导光机理近年来也成为光纤设计制备中的热点，有效地将反谐振光纤中的负曲率玻璃管引入光子晶体光纤中，可以进一步降低光纤的限制损耗并且具有控制模式截止条件的特性。但是传统的光纤结构复杂，导致制作工艺繁杂。而且传统的光纤会掺杂其他材料，容易受环境温度的影响。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提出一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤。

本发明提供的一种支持多个轨道角动量模式的反谐振环形光纤。其特征在于：包括光纤基底和、环形纤芯、包层空气孔、负曲率玻璃管；该反谐振环形光纤是一个变形后的光子晶体光纤，所述包层空气孔环形排布在环形纤芯的外壁，环形纤芯的折射率由包层空气孔大小决定，包层空气孔占空比越大所述包层的折射率越低；环形纤芯利用全反射原理将轨道角动量模式束缚在其中，所述负曲率玻璃管环形排布在包层空气孔的外层，负曲率玻璃管利用反谐振原理再一次降低轨道角动量模式的限制损耗；中心环形纤芯用于分离本征矢量模间的有效折射率并且抑制径向高阶模式，负曲率玻璃管的厚度对光传播具有反谐振效果，可以进一步控制模式的截止条件，并实现矢量模式的截止条件。本发明的反谐振环形光纤结构中，利用全反射原理将光束缚在环形纤芯中，环形纤芯的折射率分布与轨道角动量模式的能量分布相匹配。光纤基底、环形纤芯都采用单一的石英玻璃材料。本征矢量模间有效折射率大于10^-4量级证明本发明可用于支持多个轨道角动量模式传输。

进一步的，所述反谐振环形光纤的波长范围能够覆盖C+L波段。