[发明专利]一种可传输22个光子角动量模的光子晶体光纤

说明书

一种可传输22个光子轨道角动量模的光子晶体光纤，包括中心纤芯、环形高折射率层和环形包层；纤芯为大的空气孔；环形包层包括包层一、包层二、包层三、包层四。包层一由36个圆环形均匀排列的方形空气孔组成，相邻两个方形空气孔对光纤横截面圆心之间的夹角为10°,包层二由30个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对光纤横截面圆心间夹角为12°；包层三由36个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，相邻两个圆形空气孔对光纤横截面圆心间夹角为10°；包层四由40个圆环形均匀排列的圆形空气孔组成，本发明在1500‑1600nm波段可支持的OAM模式数达22个，各模式间串扰少，大部分模式限制损耗低(<10^‑7dB/m),色散小，非线性系数小。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其是一种可传输22个光子角动量模的光子晶体光纤。

背景技术

光子晶体光纤(PCF)是在现代光纤技术的基础上兴起的一个新研究领域，由于它的包层中二维光子晶体结构可以灵活的设计，使其具有诸多优异的光学特性，如无截止单模传输、可调节的色散、高双折射、大模场面积和高非线性等特性，因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。光子轨道角动量(OAM,Orbital angularmomentum)在理论上具有无限多不同量子态的正交基，所以它可以提供一种新的复用机制。基于光子晶体光纤的OAM传输光纤，支持的OAM模式数多，且模式间串扰小，限制损耗小，色散小，因此可将OAM模式复用应用到光通信中，来大幅度提升光通信容量。

光纤中存在的光波模式可分为:HE、EH、TE和TM等4种，HE和EH模式又可分为奇偶模。在光纤中，将相位差为π/2的同阶奇偶模式(HE或EH)线性叠加，即可得到OAM模式。因此，光子晶体光纤中的OAM模式也可表达为光纤中同阶矢量模的奇模和偶模的叠加。所以研究光子晶体光纤中OAM的传输问题，首要任务是研究光子晶体光纤中可传输的矢量模HE和EH模。故要将OAM复用应用到光通信中来提升通信容量，应使光纤中传输的OAM模式数尽可能的多。

基于光子晶体的OAM传输光纤具有以下优势:：环形的高折射率区不需要的额外的掺杂，结构参数设计灵活，支持的OAM模式数多，且模式间串扰小，限制损耗小，色散小。

在光通信领域中，密集波分复用、正交频分复用、模分复用等复用技术日渐兴起，但是均受限于电磁通信容量资源有限。由于轨道角动量是除光强、频率、偏振外的一个新的自由度，理论上光子轨道角动量可取无限值，将其用于光通信可以大幅提高光通信容量，已成为光通信领域研究的热点。基于光子轨道角动量的自由空间光通信，已经可以实现2.56Tbit/s以上的超高速数据传输，但受大气湍流影响严重，传输距离较短。基于OAM的光纤通信研究还较少，因传统的光纤是不能传输OAM的，研究者们设计出了环光纤可用来传输OAM，最近又有研究者提出了光子晶体光纤可以传输OAM。但传统的六边形光子晶体光纤由于六角对称的结构，传输的OAM模式只有两个，且损耗较大。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中光子晶体光纤传输的OAM模式少且损耗较大的技术问题，本发明提出一种可传输22个光子角动量模的光子晶体光纤，本发明将光子晶体光纤的纤芯设计为一圆形空气孔，且包层围绕纤芯呈环形对称结构，这种结构可明显增加OAM的模式数。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种可传输22个光子轨道角动量模的光子晶体光纤，该光纤的横截面包括：由横截面圆心向外依次设置的纤芯、环形高折射率层和环形包层；其中，

纤芯设置于光纤横截面中心，为一个空气孔；

环形高折射率层和环形包层为与纤芯同心的圆环层；且环形高折射率层和环形包层均采用石英材料制成；