Page 33 - 网络电信2020年10月刊上

图2 仿真单圆环芯光纤＋1、＋2阶ＯＡＭ模式输出
寸环形纤芯结构OAM光纤预制棒制备。通过反复的工艺研究与验
证，形成了环形纤芯光纤高稳态拉丝工艺技术，有效保障了高
折射率环形纤芯结构在高温形变中的结构一致性。最终实现了
单圆环芯结构OAM传输光纤的研制，其光纤预制棒折射率剖面图
与OAM光纤端面如图3所示。
图3 光纤预制棒折射率剖面与ＯＡＭ光纤端面图
提升不同阶数OAM模式间的有效折射率差，在光纤制造工艺
方面面临多方面瓶颈。因此，从系统应用角度降低MIMO信号处
理难度，也能够实现更大容量的光纤传输目标，对光纤的传输
要求也发生改变。
团队采用耦合模理论对光纤结构微扰（例如微弯曲）OAM光
纤模式组间耦合系数进行了理论分析。将微扰进行二阶泰勒级
数展宽：
(2)
式中：x、Y和Z为光纤中的坐标系，以光纤纤芯为原点，
截面为xy平面，光传播方向为z；Δn为光纤内各处折射率的变
化；f（z）为折射率沿z方向的变化（主要是弯曲引起的）；
n 0 为z＝0即光纤端面处的折射率，将这一点选作起始点；由于
光纤采用xyz坐标系并不方便，因此在计算中将光纤的横截面
由xy平面转换成极坐标系（柱坐标系）的r和φ，其分别为离z
轴的距离和偏离参考点的角度。式（2）的一阶项主要引起相
邻模式组间耦合，二阶项主要引起隔一阶的模式组间耦合。基
于上述理论分析，通过优化光纤剖面，以降低上述组间耦合系
数为目标进行了超低耦合环芯光纤设计优化。利用OAM模式组
内的4个OAM模式传输4路信号，在进行4×4 MIMO信号处理时，
需要尽量降低模式组内部的群延迟差以降低MIMO滤波器的规模
（抽头数），需要光纤组内OAM模式间尽量简并（传播常数尽量
相同）。因此，通过模拟仿真分析，将环形芯结构波导由阶跃
型分布优化为特定的渐变型折射率分布。通过工艺优化，提高
芯—包层折射率差，降低光纤内部的各种微扰，成功拉制了高
质量的新型渐变抛物线折射率环芯OAM光纤。
图4 环形纤芯光纤结构图及支持模式组
如图4所示，通过采用芯层高掺锗和包层掺氟工艺，获得了
高达0.025的芯—包层折射率差。共支持0～5阶6个模式组，其
－3
中1阶以上模式组间的n eff 均大于1e ，模式组间串扰＜－23dB
／km，足以支持较长距离传输。组内4个OAM模式间的n eff 均小于
－5
1e ，实现了高度的组内模式简并，全面达到了设计目标。其
中r为光纤几何中心至环形芯折射率最高处的距离；ｗ为渐变环
型芯区的宽度；Δ为芯区相对折射率差；l为OAM阶数。
本文对所研制的实心单环OAM光纤的传输特性进行了进一步
研究。测量结果如图5所示，经2ｍ的环形光纤传输后，可以得
到OAM模场图和干涉图，证明光纤中激发出了相应的OAM模式。
经过5.5km传输后，得到稳定的模场图和解调后的高斯亮斑，说
明环形光纤支持±1和±2阶OAM模式的传输。
该光纤共拉制3个批次，通过工艺改善与波导结构整型
优化，其损耗不断改善，分别为1.0、0.75及0.34dB／km，最
长样品达50km。已在该渐变折射率环芯光纤上演示了具有8个
OAM模式和12个波长的模分复用－波分复用（Mode Division
Multi-plexing-Wave Length Division Multiplexing, MDM-
WDM）方案，其总容量为5.376 Tbit/s，并打破了光子轨道角动
量－模分复用（Orbital Angular Mo-mentum-Mode Division
Multiplexing, OAM-MDM）的10km障碍。
网络电信 二零二零年十月 41