Page 32 - 网络电信2020年10月刊上

光 通 信

环形纤芯结构光纤设计与制备技术研究

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伍淑坚 ，杜城 ，罗文勇 ，李尚远 ，李伟 ，柯一礼 ，何晴 ，戚卫 1
1.烽火通信科技股份有限公司；2.锐光信通科技有限公司；3.清华大学电气工程系
摘要：为支持光子轨道角动量（oam）模式大容量通信传输，文
章探讨了新型oam信号传输光纤的设计与制备技术，满足大幅度提高通
信系统频谱效率和容量对特殊光纤的需求。文章模拟和评估了oam模式
在不同波导结构光纤中的模式特性和传播效果，研究结果表明，提高
芯—包层折射率差有利于高阶oam模式传输，降低了光纤内部的各种微
扰。采用等离子体化学气相沉积工艺，高精度实现了设计的折射率剖
面，并成功拉制了高质量的oam光纤，其支持50km传输28个有效oam通
道的渐变折射率；开发出了可支持96个有效oam通道的三环芯层结构传
输光纤。同时，针对新型传输需求，通过对精确制备技术进行模拟，
研究开发出了保偏型oam传输光纤和oam掺铒光纤等支持更多oam模式稳
定传输的新型光纤。
关键词：轨道角动量；渐变环形光纤；三环形光纤；保偏型轨道
角动量光纤

引言 OAM光纤通信迫切需要新型光纤。基于光纤制造难度与工程化需
随着物联网、云计算以及通信网络的快速发展，全球网 求，本文针对契合OAM模式光强特点的环形芯光纤开展了研究。
络流量保持了每年30％以上的增长速度。如何可持续地提高通 OAM模式组内的模式传播常数分裂量Δβ＝2πΔn eff ／λ与
信系统容量以应对不断增长的容量需求，已成为光通信亟待 光纤折射率剖面n（r）的径向导数 有极大的关系：
解决的关键问题。近年来基于轨道角动量（Orbital Angular
Momentum，OAM）模式的空分复用技术在国内外引起了广泛关 (1)
注。但由于OAM模式的特殊性，传统单模光纤会导致模式串扰，
无法支持oam模式长距离传输。因此光子OAM光纤通信迫切需要 式中：Δn eff 为模式传输有效折射率差；λ为信号光波长；
可支持多个OAM模式传输的低串扰和低损耗光纤。 r为单环芯厚度；n为单环芯相对折射率； 为模式的电场分
美国波士顿和南加州大学合作在2012年利用高折射率环形 布；Ａ为芯区面积（dA为面积微元）；tot为total简写。因
光纤实现了4个模式（含两个OAM模式）1.1km无多输入多输出 此，面向无MIM OAM模式复用方案的OAM光纤设计，采用高折射
[1]
（Multiple Input Multiple Output，MIMO）复用传输 ，并 率差、高折射率导数的阶跃型结构。通过模拟仿真，形成能够
[2]
在2013年结合波分复用传输使传输速率达到1.6Tbit/s ；为 支持±2阶OAM模式的实心单圆环芯OAM光纤结构，如图1所示。
进一步增大环形光纤纤芯和包层的折射率差，2013年美国波士 图2所示为仿真单圆环芯结构光纤的输出强度与输出相位情况。
顿大学设计并制作了空气芯环形光纤，实现了12个光涡旋模式
图1 满足±2阶ＯＡＭ模式的实心单圆环芯光纤结构
[3]
传输 ；加拿大拉瓦尔大学也设计了一种空气芯环形光纤，其
[4]
可支持36个光涡旋模式 。空气芯环形光纤可以支持更多数量
的光涡旋模式，但目前报道的传输距离还都较短，光纤损耗较
大。
因此，为解决新型长传输距离和大容量OAM传输光纤技术面
临的问题，本文开展了单环、多环以及保偏型OAM光纤和OAM光
子晶体光纤的技术研究，并对直插式光纤放大器所需要的环形
芯掺铒光纤进行了研究，以满足与长距离OAM传输光纤的匹配增
益。
根据单圆环芯结构OAM信号传输光纤结构特点，综合比较多
一、环形芯OAM传输光纤研究 种光纤预制棒制造工艺技术特点，团队采用等离子体化学气相
1、单环芯结构光纤研究 沉积（Plasma Chemical Vapor Deposition, PCVD）工艺进行
由于OAM模式的特殊性，传统的单模和多模光纤会导致模 单圆环芯结构OAM光纤制备工艺研究。通过对环形纤芯折射率突
式串扰，无法支持光子OAM模式在光纤中长距离传输。因此光子 变控制和内应力消除等工艺难点开展攻关，解决了高折射率环
形纤芯结构光纤预制棒应力损伤难题，实现了结构均一的大尺

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