本發(fā)明涉及一種新型的可傳輸多個(gè)OAM模式的光子晶體光纖，屬于光子晶體光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光子晶體光纖(PCF)是在現(xiàn)代光纖技術(shù)的基礎(chǔ)上興起的一個(gè)新研究領(lǐng)域，由于它的包層中二維光子晶體結(jié)構(gòu)可以靈活的設(shè)計(jì)，使其具有諸多優(yōu)異的光學(xué)特性，如無截止單模傳輸、可調(diào)節(jié)的色散、高雙折射、大模場(chǎng)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(lǐng)域科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)。光子軌道角動(dòng)量(OAM,Orbital angular momentum)在理論上具有無限多不同量子態(tài)的正交基，所以它可以提供一種新的復(fù)用機(jī)制?；诠庾泳w光纖的OAM傳輸光纖，支持的OAM模式數(shù)多，且模式間串?dāng)_小，限制損耗小，色散小，因此將OAM模式復(fù)用應(yīng)用到光通信中，應(yīng)使光纖中傳輸?shù)腛AM模式數(shù)盡可能的多，即可提供更多的復(fù)用通道，從而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(dá)為光纖中同階矢量模的奇模和偶模的疊加，具體可表述為：

OAM^±_±l,m＝HE^even_l+1,m±jHE^odd_l+1,m (1)

所以研究光子晶體光纖中OAM的傳輸問題，首要任務(wù)是研究光子晶體光纖中可傳輸?shù)氖噶勘菊髂E和EH模。

基于環(huán)形光子晶體的OAM傳輸光纖具有以下優(yōu)勢(shì):環(huán)形的高折射率區(qū)不需要的額外的摻雜，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)靈活，支持的OAM模式數(shù)多，且模式間串?dāng)_小，限制損耗小，色散小。

在光通信領(lǐng)域中，密集波分復(fù)用、正交頻分復(fù)用、模分復(fù)用等復(fù)用技術(shù)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(dòng)量是除光強(qiáng)、頻率、偏振外的一個(gè)新的自由度，理論上光子軌道角動(dòng)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(lǐng)域研究的熱點(diǎn)?；诠庾榆壍澜莿?dòng)量的自由空間光通信，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)2.56Tbit/s以上的超高速數(shù)據(jù)傳輸，但受大氣湍流影響嚴(yán)重，傳輸距離較短?；贠AM的光纖通信研究還較少，因傳統(tǒng)的光纖是不能傳輸OAM的，研究者們?cè)O(shè)計(jì)出了環(huán)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(tǒng)的六邊形光子晶體光纖由于六角對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，傳輸?shù)腛AM模式只有兩個(gè)，且損耗較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的可傳輸多個(gè)OAM模式的光子晶體光纖，解決傳統(tǒng)的六邊形光子晶體光纖由于六角對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，傳輸?shù)腛AM模式只有兩個(gè)，且損耗較大的問題，將光子晶體光纖的纖芯設(shè)計(jì)為一圓形空氣孔，包層為正方形空氣孔且圍繞纖芯呈環(huán)形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得環(huán)形OAM傳輸區(qū)與OAM模式光場(chǎng)的環(huán)形形狀非常吻合，因此可明顯增加傳輸?shù)腛AM模式數(shù)。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：

一種新型的可傳輸多個(gè)OAM模式的光子晶體光纖，包括采用圓形空氣孔的中心纖芯、包覆在中心纖芯上的環(huán)形高折射率層，及依次包覆在環(huán)形高折射率層上的包層一、包層二、包層三、包層四，其中所述包層一由36個(gè)方形空氣孔組成，且相鄰空氣孔繞中心纖芯的圓心旋轉(zhuǎn)角度θ₁；所述包層二由40個(gè)方形空氣孔組成，且相鄰空氣孔繞中心纖芯的圓心旋轉(zhuǎn)角度θ₂；所述包層三由45個(gè)方形空氣孔組成，且相鄰空氣孔繞中心纖芯的圓心旋轉(zhuǎn)角度θ₃；所述包層四由50個(gè)方形空氣孔組成，且相鄰空氣孔繞中心纖芯的圓心旋轉(zhuǎn)角度θ₄；所述每個(gè)包層的基底材料為石英且每層包層的方形空氣孔大小相同，以及相鄰包層的間距相同，并且每層包層圍繞中心纖芯成圓形對(duì)稱分布。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述角度θ₁、角度θ₂、角度θ₃、角度θ₄依次減小。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述角度θ₁為10°。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述角度θ₂為9°。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述角度θ₃為8°。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述角度θ₄為7.2°。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述環(huán)形高折射率層為石英材料。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述每個(gè)包層內(nèi)的方形空氣孔為正方形空氣孔。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，能產(chǎn)生如下技術(shù)效果：

本發(fā)明提供的新型的可傳輸多個(gè)OAM模式的光子晶體光纖，結(jié)構(gòu)基底采用合適的材料可保證環(huán)形區(qū)域的高折射率，使得個(gè)模式的能量集中在環(huán)形區(qū)域傳輸，很少泄露至包層，各模式的限制損耗??；通過對(duì)該光纖結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可支持的本征模式包括HE_l+1,m,EH_l-1,m,TM_0,1和TE_0,1(l＝2to15,m＝1)，總共14個(gè)模式群組，其中每個(gè)模式群組包含4個(gè)OAM模式，加上兩個(gè)OAM_±l,1(HE_2,1)，共同組成了58個(gè)OAM模式。在1500-1600波段，HE_l+1,m模和EH_l-1,m模的有效折射率差大于10^-4，保證了HE_l+1,m模和EH_l-1,m模不會(huì)耦合為LP模，而可以通過線性疊加得到OAM模式，從而有效地抑制傳輸過程中的模間串?dāng)_，改善光子晶體光纖中軌道角動(dòng)量模式的傳輸性能。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的環(huán)光纖要求摻雜獲得高折射率和精準(zhǔn)的環(huán)形厚度設(shè)計(jì)，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高折射率材料即可，而且環(huán)形區(qū)域大小可靈活設(shè)計(jì)，工藝容差性高。

本發(fā)明的光子晶體光纖，可支持多達(dá)58個(gè)OAM模式。該結(jié)構(gòu)通過改變傳統(tǒng)光子晶體光纖的纖芯和包層結(jié)構(gòu)，可傳輸多個(gè)HE和EH模式。比傳統(tǒng)的環(huán)光纖在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更靈活，傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)更多?；诠庾榆壍澜莿?dòng)量每個(gè)模式間都是相互正交的，將OAM模式復(fù)用應(yīng)用到光通信中，可以大幅度提升光通信容量。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明新型的可傳輸多個(gè)OAM模式的光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)剖面圖，圖中有空氣纖芯1，環(huán)形高折射率區(qū)域2，包層一3，包層二4，包層三5，包層四6。

圖1(b)為本發(fā)明的光纖四分之一結(jié)構(gòu)剖面圖，圖中標(biāo)明了該結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)。

圖2(a)為本發(fā)明HE模式的最高階模HE_16，1的E_z場(chǎng)強(qiáng)分布。

圖2(b)為本發(fā)明EH模式的最高階模EH_14，1的E_z場(chǎng)強(qiáng)分布。

圖3(a)為本發(fā)明∣HE_m，1-EH_n,1∣(m＝3-9,n＝1-7)模式有效折射率差ΔN_eff隨波長λ的變化。

圖3(b)為本發(fā)明∣HE_m，1-EH_n,1∣(m＝10-16,n＝8-14)模式有效折射率差ΔN_eff隨波長λ的變化。

圖4(a)為本發(fā)明HE_m，1(m＝2,6,8,10,12)和EH_n,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D隨波長λ的變化。

圖4(b)為本發(fā)明HE_m，1(m＝2,6,8,10,12)和EH_n,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D在波長1.55μm附近的變化。

圖5(a)為本發(fā)明HE_m，1和EH_n,1(m,n＝1-5，7)模式有效面積A_eff隨波長λ的變化。

圖5(b)為本發(fā)明HE_m，1(m＝8-10,12,14,16)和EH_n,1(n＝8-10，12，14)模式有效面積A_eff隨波長λ的變化。

圖6(a)為本發(fā)明HE_m，1和EH_n,1(m,n＝1-5，7)模式非線性系數(shù)γ隨波長λ的變化。

圖6(b)為本發(fā)明HE_m，1(m＝8-10,12,14,16)和EH_n,1(n＝8-10，12，14)模式非線性系數(shù)γ隨波長λ的變化。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述。

如圖1(a)和圖1(b)所示，本發(fā)明提出一種新型的可傳輸多個(gè)OAM模式的光子晶體光纖，利用光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)可靈活設(shè)計(jì)的特性，將光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中心纖芯1，包覆在中心纖芯上的環(huán)形高折射率層2，及依次包覆在環(huán)形高折射率層2上的包層一3，包層二4，包層三5，包層四6。其中纖芯1為大的圓形空氣孔；環(huán)形高折射率層2為石英材料；所述包層一3由36個(gè)方形空氣孔組成，相鄰方形空氣孔繞中心纖芯1的圓心旋轉(zhuǎn)角度θ₁，本實(shí)施例中優(yōu)選角度θ₁為10°；所述包層二4由40個(gè)方形空氣孔組成，相鄰方形空氣孔繞中心纖芯1的圓心旋轉(zhuǎn)θ₂，本實(shí)施例中優(yōu)選角度θ₂為9°；所述包層三5由45個(gè)方形空氣孔組成，相鄰方形空氣孔繞中心纖芯1的圓心旋轉(zhuǎn)θ₃，本實(shí)施例中優(yōu)選角度θ₃為8°；所述包層四6由50個(gè)方形空氣孔組成，相鄰方形空氣孔繞中心纖芯1的圓心旋轉(zhuǎn)θ₄，本實(shí)施例中優(yōu)選角度θ₄為7.2°；且每個(gè)包層的基底材料為石英，每層包層的方形空氣孔大小相同，以及相鄰包層的間距相同，且每層圍繞中心纖芯成圓形對(duì)稱分布。

優(yōu)選地，所述光子晶體光纖中每個(gè)包層內(nèi)的方形空氣孔為正方形空氣孔。本發(fā)明通過對(duì)該光纖結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可支持的本征模式包括HE_l+1,m,EH_l-1,m,TM_0,1和TE_0,1(l＝2to15,m＝1)，總共14個(gè)模式群組，其中每個(gè)模式群組包含4個(gè)OAM模式，加上兩個(gè)OAM_±l,1(HE_2,1)，共同組成了58個(gè)OAM模式，在1500-1600nm波段可支持的OAM模式數(shù)均可達(dá)58個(gè)。

本發(fā)明的光纖，結(jié)構(gòu)基底采用合適的材料可保證環(huán)形區(qū)域的高折射率，使得各模式的能量集中在環(huán)形區(qū)域傳輸，很少泄露至包層，各模式的限制損耗??；通過對(duì)該光纖結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)不同軌道角動(dòng)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?dāng)_，改善光子晶體光纖中軌道角動(dòng)量模式的傳輸性能。

本發(fā)明的實(shí)施例中，給出光子晶體光纖的具體參數(shù)為：如圖1(b)所示，纖芯直徑d₀＝12μm,環(huán)形區(qū)域厚度d＝2μm，包層間距Λ＝1.5μm,方形空氣孔邊長b_square＝1μm，θ₁＝10°，θ₂＝9°，θ₃＝8°，θ₄＝7.2°，基底材料為石英，折射率n＝1.444，其非線性折射率n₂＝2.3×10^-20m²·w^-1。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，在HE模式最高階模HE_16，1的E_z場(chǎng)強(qiáng)分布如圖2(a)所示，及在EH模式的最高階模EH_14，1的E_z場(chǎng)強(qiáng)分布如圖2(b)所示。本發(fā)明結(jié)構(gòu)光子晶體光纖在低階∣HE_m，1-EH_n,1∣(m＝3-9,n＝1-7)模式有效折射率差ΔN_eff隨波長λ的變化；如圖3(a)所示，且在高階∣HE_m，1-EH_n,1∣(m＝10-16,n＝8-14)模式有效折射率差ΔN_eff隨波長λ的變化如圖3(b)所示。

并且，如圖4(a)所示，給出本發(fā)明在HE_m，1(m＝2,6,8,10,12)和EH_n,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D隨波長λ的變化；如圖4(b)所示，給出本發(fā)明在HE_m，1(m＝2,6,8,10,12)和EH_n,1(n＝1,4,6,8,10)模式的色散D在波長1.55μm附近的變化。

以及，如圖5(a)所示，給出本發(fā)明在低階HE_m，1、EH_n,1(m,n＝1-5，7)模式有效面積A_eff隨波長λ的變化；且如圖5(b)所示，給出本發(fā)明高階HE_m，1(m＝8-10,12,14,16)、EH_n,1(n＝8-10，12，14)模式有效面積A_eff隨波長λ的變化。如圖6(a)所示，給出本發(fā)明低階HE_m，1、EH_n,1(m,n＝1-5，7)模式非線性系數(shù)γ隨波長λ的變化。如圖6(b)所示，給出本發(fā)明高階HE_m，1(m＝8-10,12,14,16)、EH_n,1(n＝8-10，12，14)模式非線性系數(shù)γ隨波長λ的變化。

綜上，本發(fā)明的光子晶體光纖，結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的環(huán)光纖要求摻雜獲得高折射率和精準(zhǔn)的環(huán)形厚度設(shè)計(jì)，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高折射率材料即可，而且環(huán)形區(qū)域大小可靈活設(shè)計(jì)，工藝容差性高?？芍С侄噙_(dá)58個(gè)OAM模式，該結(jié)構(gòu)通過改變傳統(tǒng)光子晶體光纖的纖芯和包層結(jié)構(gòu)，可傳輸多個(gè)HE和EH模式。比傳統(tǒng)的環(huán)光纖在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更靈活，傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)更多?；诠庾榆壍澜莿?dòng)量每個(gè)模式間都是相互正交的，將OAM模式復(fù)用應(yīng)用到光通信中，可以大幅度提升光通信容量。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。