本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種可傳輸22個(gè)光子角動(dòng)量模的光子晶體光纖。

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,orbitalangularmomentum)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，因此可將oam模式復(fù)用應(yīng)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(dá)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(wù)是研究光子晶體光纖中可傳輸?shù)氖噶磕e和eh模。故要將oam復(fù)用應(yīng)用到光通信中來提升通信容量，應(yīng)使光纖中傳輸?shù)膐am模式數(shù)盡可能的多。

基于光子晶體的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?；趏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)膐am模式只有兩個(gè)，且損耗較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)中光子晶體光纖傳輸?shù)膐am模式少且損耗較大的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種可傳輸22個(gè)光子角動(dòng)量模的光子晶體光纖，本發(fā)明將光子晶體光纖的纖芯設(shè)計(jì)為一圓形空氣孔，且包層圍繞纖芯呈環(huán)形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可明顯增加oam的模式數(shù)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種可傳輸22個(gè)光子軌道角動(dòng)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(shè)置的纖芯、環(huán)形高折射率層和環(huán)形包層；其中，

纖芯設(shè)置于光纖橫截面中心，為一個(gè)空氣孔；

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

環(huán)形包層中沿圓心向外依次設(shè)置有四層同心圓環(huán)層，分別為：包層一、包層二、包層三和包層四；包層一由36個(gè)圓環(huán)形均勻排列的方形空氣孔組成，相鄰兩個(gè)方形空氣孔對(duì)圓心之間的夾角為10°,包層二由30個(gè)圓環(huán)形均勻排列的圓形空氣孔組成，相鄰兩個(gè)圓形空氣孔對(duì)圓心間夾角為12°；包層三由36個(gè)圓環(huán)形均勻排列的圓形空氣孔組成，相鄰兩個(gè)圓形空氣孔對(duì)圓心間夾角為10°；包層四由40個(gè)圓環(huán)形均勻排列的圓形空氣孔組成，相鄰兩個(gè)圓形空氣孔對(duì)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(jìn)一步的，所述纖芯的直徑為11μm；所述環(huán)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(zhǎng)為1μm，所述圓形空氣孔的直徑為1.6μm。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、本發(fā)明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)為纖芯為空氣孔，纖芯和包層之間的環(huán)形區(qū)域?yàn)楦哒凵渎蕝^(qū)，使得輸入光波時(shí)，光能量主要集中在環(huán)形高折射率區(qū)域，只有極少部分會(huì)泄露至包層；高折射率區(qū)和背景材料為同一種材料，即環(huán)形區(qū)域不需要額外的摻雜來獲得高折射率，而且環(huán)形區(qū)域大小可靈活設(shè)計(jì)；

2、最內(nèi)層的方形空氣孔使得中間環(huán)形高折射率區(qū)與oam模式的環(huán)形強(qiáng)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(dāng)輸入波長(zhǎng)為1500-1600nm時(shí)，支持的oam模式數(shù)可達(dá)22個(gè)；

3、本發(fā)明中，光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)可以靈活調(diào)整，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；

4、本發(fā)明在1500-1600nm波段可支持的oam模式數(shù)達(dá)22個(gè)，各模式間串?dāng)_少，大部分模式限制損耗低(<10^-7db/m),色散小，非線性系數(shù)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(shù)最小為1.49km^-1·w^-1。

附圖說明

圖1為實(shí)施例的截面圖；

圖2為四分之一結(jié)構(gòu)截面圖，圖中標(biāo)明了該結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)；

圖3為利用基于有限元法的comsol仿真軟件對(duì)本發(fā)明所述光子晶體光纖支持的oam模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到的he模式最高階模he12，1的ez場(chǎng)強(qiáng)分布圖；

圖4為利用基于有限元法的comsol仿真軟件對(duì)本發(fā)明所述光子晶體光纖支持的oam模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到的eh模式的最高階模eh10，1的ez場(chǎng)強(qiáng)分布圖；

圖5為根據(jù)仿真結(jié)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(zhǎng)λ變化的示意圖；

圖6為根據(jù)仿真結(jié)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(zhǎng)λ變化的示意圖；

圖7為根據(jù)仿真結(jié)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(zhǎng)λ變化的示意圖；

圖8為根據(jù)仿真結(jié)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(zhǎng)λ變化的示意圖；

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

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

圖中：1、纖芯，2、環(huán)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1至2所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖，圖中顯示了可傳輸22個(gè)光子軌道角動(dòng)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(shè)置的纖芯1、環(huán)形高折射率層2和環(huán)形包層，纖芯1設(shè)置于光纖橫截面中心，為一個(gè)大的空氣孔；環(huán)形高折射率層2和環(huán)形包層為與纖芯1同心的圓環(huán)層，且環(huán)形高折射率層2和環(huán)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(huán)形包層中從內(nèi)至外依次設(shè)置四個(gè)同心圓環(huán)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(gè)方形空氣孔組成，相鄰兩個(gè)方形空氣孔對(duì)圓心間夾角為θ1(10°)，包層二4由30個(gè)圓形空氣孔組成，相鄰兩個(gè)圓形空氣孔對(duì)圓心間夾角為θ2(12°)，包層三5由36個(gè)圓形空氣孔組成，相鄰兩個(gè)圓形空氣孔對(duì)圓心間夾角為θ3(10°)，包層四6由40個(gè)圓形空氣孔組成，相鄰兩個(gè)圓形空氣孔對(duì)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(duì)稱分布。本發(fā)明在1500-1600nm波段可支持的oam模式數(shù)均可達(dá)22個(gè)。

上述實(shí)施例的具體參數(shù)為：纖芯1的直徑d0＝11μm,環(huán)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(zhǎng)dsquare＝1μm，圓形空氣孔邊長(zhǎng)dcircle＝1.6μm。

下面通過具體仿真結(jié)果，說明本發(fā)明的有益效果。

基于上述實(shí)施例中所述的具體參數(shù)設(shè)置，利用基于有限元法的comsol仿真軟件對(duì)實(shí)施例中oam光子晶體光纖中支持的oam模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到如圖3所示的he模式最高階模he12，1的ez場(chǎng)強(qiáng)分布圖和圖4所示的eh模式的最高階模eh10.1的ez場(chǎng)強(qiáng)分布圖。將comsol仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shù)γ隨波長(zhǎng)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(shù)γ隨波長(zhǎng)λ變化的示意圖。

將comsol仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入到matlab中經(jīng)編程運(yùn)算得到色散數(shù)據(jù)，再將色散數(shù)據(jù)導(dǎo)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(zhǎng)λ變化的示意圖。

從上述仿真結(jié)果可知，本發(fā)明通過對(duì)所述的光子晶體光纖結(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種高折射率材料即可，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)明的光纖結(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。基于光子軌道角動(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。本發(fā)明在1500-1600nm波段可支持的oam模式數(shù)均可達(dá)22個(gè)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。