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解 决 方 案
在少模光纤的OAM模分复用中, 复用的各模式间有效折射率 中，径向保持单模状态，因此祗能传输OAM m,1 模。环光纤中各模
差愈大,模间耦合就愈小, 反之亦然。在常规的阶跃型折射率剖 式的有效折射率由图7所示。
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面分布的光纤中，模式之间的有效折射率差值小于10 时，模式 比较图5和7中各模式的有效折射率, 可见环状OAM光纤中各
就会简并为LP模, 如图5-A所示，其中TE 01 ，TM 01 和HE 21 有效折射 模式的有效折射率差明显增大。
率相同，故可形成LP 11 模，但无法将HE 21 组成的OAM 11 模与TM 01 和 3.光纤的宏弯和微弯
TE 01 模的有效折射率分开, 故OAM 11 模无法正常传输。所以在常规 光纤在弯曲时，在弯曲段光线射向纤芯包层界面的入射
的阶跃型折射率剖面分布的光纤中，OAM模无法正常传输, 必须 角大于临界角时，不再符合全内反射条件，传导模转化为辐射
特殊设计光纤的折射率剖面分布使各OAM模与其他模式的有效折 模，逸出光纤造成弯曲损耗, 见图8。当光纤在拉丝或成缆工艺
射率差增大, 如5-B所示 中处理不当时，光纤轴线会产生微小不规则变形，就会形成光
纤微弯，微弯的幅度为微米级，周期毫米级。在微弯形成的微
图 5 多模光纤中各模式的有效折射率
凹（microdent）和微凸（microvexity）处，光线射向纤芯包
层界面的入射角也会大于临界角时，不再符合全内反射条件，
传导模转化为辐射模，逸出光纤造成微弯损耗, 见图9。
图 8 光纤的宏弯损耗
图 9 光纤的微弯损耗
目前为止，此类结构的研究重点集中在环状折射率光纤
上。典型的环状折射率分布的OAM光纤是美国波士顿大学的
Ramachandran 等提出的Vortex fiber（称为涡旋光纤），如图
6所示。 4.光纤微弯传感器
当光纤在外力作用下发生微弯时，会引起光纤中不同模式
图 6 环状 OAM 光纤的折射率剖面
的转化，其中有些传导模变成了辐射模或漏泄模，从而引起损
耗，图10为光纤微弯损耗强度调制原理图。微弯变形器是由两
块具有特定周期的波纹板和夹在其中的多模光纤构成。
图 10 光纤微弯损耗强度调制原理
在环状折射率分布光纤方面，其结构设计是通过设计合适
的环状高折射率区域，增大不同OAM模式之间的有效折射率之
差，从而减少各个OAM模式之间的简并情况。在该结构中，芯
层与包层的折射率基本一致，而传输层的折射率则需要较高。
在该结构中，通过传输层折射率的调整和径向尺寸的设计增大 选波纹的周期间隔为Λ（对应空间频率为ƒ），使它与光纤
模式之间的有效折射率之差，在这种单环形折射率剖面的光纤 中适当选择的两个模式之间的传播模式相匹配。若给定了引起
耦合的两个模的传播常数分别为β和β＇，则Λ必须满足
图 7 环光纤中各模式的有效折射率
Δβ=|β-β'|=2π/Λ （37）
此时相位失配为零，模间耦合达到最佳。因此，波纹的最
佳周期间隔决定于光纤的模式性能。变形器的位移改变了光纤
的弯曲程度，从而改变了光纤的弯曲损耗，产生强度调制。
假设光纤的微弯变形函数为：（当0≤z≤L时）
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