一種高純度、低本征串?dāng)_的軌道角動量傳輸光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到光纖通信領(lǐng)域，尤其是一種高純度、低本征串?dāng)_的軌道角動量(Orbitalangularmomentum，0ΑΜ)傳輸光纖。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，時分復(fù)用技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)和偏振復(fù)用技術(shù) 都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于單模光纖通信系統(tǒng)中，并使其傳輸容量接近于香農(nóng)極限。然而，移動 互聯(lián)網(wǎng)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，導(dǎo)致全球通信系統(tǒng)對于傳輸容量的需求仍然在呈指 數(shù)形式增長。因此，采用新的復(fù)用技術(shù)對通信系統(tǒng)進(jìn)行升級，進(jìn)一步增加傳輸容量和頻譜效 率，對推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，可能的解決方案為模式復(fù)用技術(shù)和空 分復(fù)用技術(shù)。0ΑΜ光通信，即利用不同的0ΑΜ光作為信道來進(jìn)行通信，是模式復(fù)用技術(shù)的關(guān) 鍵應(yīng)用之一。0ΑΜ光可以用符號<s，1>來表不，其中s只能是± 1，表不左旋光或右旋光； 1是拓?fù)浜蓴?shù)，表示順時針環(huán)繞一周后相位的變化量與2π的比值，也表示單一光子所攜帶 的0ΑΜ與普朗克常數(shù)h的比值。拓?fù)浜蓴?shù)1可以有無窮多個值，因此0ΑΜ光通信技術(shù)理論 上可以將現(xiàn)有的通信容量擴(kuò)充至無限大。
[0003] 相對于空間0ΑΜ光通信，光纖0ΑΜ光通信更適用于長距離通信。0ΑΜ傳輸光纖的關(guān) 鍵技術(shù)在于通過合理的設(shè)計，盡可能降低不同0ΑΜ光之間的串?dāng)_。普通的多模光纖會產(chǎn)生 嚴(yán)重的0ΑΜ光串?dāng)_問題，因而不適合傳輸0ΑΜ光。對于普通的多模光纖，其折射率分布通常 為：
[0005]
上式中，ηι為光纖纖芯最大的折射率，η2為光纖包 層折射率，r。為光纖的纖芯半徑，△為光纖纖芯和包層的相對折射率差，α為分布參數(shù)。對 于普通的多模光纖，r。一般為31. 25μm或52. 5μm，能支持?jǐn)?shù)百個甚至數(shù)千個模式進(jìn)行傳 播。A的值一般很小，僅為〇. 005~0. 025(中國專利：CN100474010C)，即為弱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 α分布參數(shù)針對某特定的波長（如1300nm)，具有使各種本征模式之間的延遲差值最小的 最優(yōu)值，一般為1. 98~2. 1 (中國專利：CN100474010C)。
[0006] 普通多模光纖的弱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致模式簡并現(xiàn)象，使得不同的本征模式具有幾 乎相同的傳播常數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致光在傳播的時候產(chǎn)生嚴(yán)重的模式耦合現(xiàn)象。例如， 在普通多模光纖中就是簡并的。普通多模光纖的關(guān)鍵性能指標(biāo)是模間延遲差值，其值越小， 代表光纖越適合應(yīng)用于通信領(lǐng)域。為了盡可能減小模間延遲差值，一般通過設(shè)計更復(fù)雜的 折射率分布或刻意引入缺陷來加強(qiáng)模式耦合現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化（中國專利：CN1198157C)。嚴(yán)重 的模式耦合現(xiàn)象使得某個特定的本征模式（例如HE31)無法在普通多模光纖中單獨、穩(wěn)定的 傳播。而光纖中的0ΑΜ光實際由本征偶模和本征奇模疊加得到，不同的0ΑΜ光一般由不同的 本征模式疊加得到。例如，冊31和HIη各自疊加后，會得到不同的0ΑΜ光（HE31e+jHE31°-〈+1， +2>，Η^+]?Ηη°- <-1，+2>)。因此，不同的OAM光在普通多模光纖中傳播會產(chǎn)生嚴(yán)重的耦 合現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的信道串?dāng)_問題。
[0007] 環(huán)形纖芯的光纖結(jié)構(gòu)有利于打破光纖的簡并模式，從而使各本征模式可以單獨、 穩(wěn)定地在光纖中傳播（OpticsLetters, 34 (16) :2525, 2009)。因此，環(huán)形光纖被廣泛采納 為0ΑΜ傳輸光纖。實際上，即使是設(shè)計好的0ΑΜ傳輸光纖，也會存在固有的信道串?dāng)_，即本 征串?dāng)_。本征串?dāng)_由光纖中合成的0ΑΜ光的純度決定，是實際通信系統(tǒng)串?dāng)_的理論極限 值。光纖中合成的0ΑΜ光并不是100%純度。通過精確求解麥克斯韋方程組，可以發(fā)現(xiàn)同 階的本征奇模和本征偶模的疊加后的光場表達(dá)式為兩個不同0ΑΜ光的線性組合。例如， HE31e+jHE31°-A·〈+1，+2>+B·〈-1，+4>，其中A和B為各個0ΑΜ光所占的比例，并滿足A+B =1 ;在上式中，Α>Β>0。目前已有報道的環(huán)形光纖，光纖中的本征模式疊加后產(chǎn)生的0ΑΜ 光的純度不夠高（1~99%)，對應(yīng)的本征串?dāng)_超過-20dB。例如，根據(jù)文獻(xiàn)"IEEEPhotonics Journal, 4(2) :535, 2012"報道的環(huán)形光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出來的本征串?dāng)_為-18.ldB。 環(huán)形光纖的本征串?dāng)_過大，使其難以應(yīng)用于長距離光纖通信系統(tǒng)，也導(dǎo)致0ΑΜ光纖通信系 統(tǒng)的解復(fù)用模塊變得更加復(fù)雜。因此，目前迫切需要一種高純度、低本征串?dāng)_的0ΑΜ傳輸光 纖，以推進(jìn)0ΑΜ光纖通信系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了一種高純度、低本征串?dāng)_的0ΑΜ傳輸 光纖。本發(fā)明提供的光纖結(jié)構(gòu)簡單，易于制備，損耗極低，能同時傳輸多個0ΑΜ光，目的在于 大規(guī)模應(yīng)用于長距離0ΑΜ光纖通信系統(tǒng)中。
[0009] 本發(fā)明提供的一種高純度、低信道串?dāng)_的0ΑΜ傳輸光纖，所述的光纖包括一個或 多個光纖纖芯、一個包層；所述的纖芯數(shù)目為1~20個，所述纖芯半徑均小于10μm;所述 包層半徑為40~100μm。所述纖芯折射率分布函數(shù)均為
中，r是纖芯相對于其中心的距離，r。是纖芯的半徑，ni為纖芯的最高折射率，△為纖芯最 高折射率和包層折射率的相對折射率差，其值為〇. 03~0. 3,α的值大于2. 1。
[0010] 本發(fā)明提供的一種高純度、低信道串?dāng)_的0ΑΜ傳輸光纖，可以通過改進(jìn)現(xiàn)有的光 纖制備技術(shù)（例如氣相沉積法、拉伸法等），實現(xiàn)以上的參數(shù)要求。通過氣相沉積法制備 相應(yīng)光纖的預(yù)制棒，然后對預(yù)制棒進(jìn)行加熱拉伸制得所需的0ΑΜ傳輸光纖。預(yù)制棒中，纖 芯所需要的折射率分布，可以通過對纖芯軸心至邊緣進(jìn)行能實現(xiàn)折射率減小的材料摻雜 (從0 -Cim〇l% );也可以通過對纖芯軸心至邊緣進(jìn)行實現(xiàn)折射率增加的材料摻雜（從 C2-Omol% );也可以是兩者結(jié)合起來，對纖芯軸心至邊緣先進(jìn)行實現(xiàn)折射率增加的材料 摻雜（從C2-Omol% )，再進(jìn)行實現(xiàn)折射率減小的材料摻雜（從0 -Cim〇l% )。包層應(yīng)與 纖芯邊緣具有相同的折射率，因此其材料是基底材料或?qū)撞牧线M(jìn)行對應(yīng)的最大濃度摻 雜。具體而言，基底材料可以是石英玻璃、多組分玻璃（如磷酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃等）以 及高分子聚合物等（如丙烯酸樹脂等）；摻雜材料可以是一種或多種，為氟、二氧化鍺、三氧 化二鋁等材料，摻雜的最大濃度值（(^和C2)的范圍均為5~80mol%。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0012] 1、本發(fā)明提出的光纖結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有的光纖制備技術(shù)（例如氣相沉積法、拉伸 法等）兼容，便于迅速大規(guī)模生產(chǎn)。
[0013] 2、本發(fā)明能在單個纖芯中支持10個以上的軌道角動量模式傳輸，傳輸損耗低于 ldB/km，色散低于40ps/(km·ηηι)，本征串?dāng)_低于_30dB，能應(yīng)用于長距離0ΑΜ光纖通信系統(tǒng)。
[0014] 3、本發(fā)明能在單根光纖中利用多芯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)十個甚至數(shù)百個0ΑΜ光的傳輸，極 大地提高了單根光纖的信息傳輸能力。
【附圖說明】
[0015] 圖la、圖lb為示例1中所述的高純度、低本征串?dāng)_的0ΑΜ傳輸光纖的折射率分布 圖及示意性截面圖。
[0016] 圖2為不例1所述的0ΑΜ傳輸光纖的色散圖。
[0017] 圖3為示例1所述