Page 27 - 网络电信2021年12月刊下

因为普通类型的多模光纤无法稳定长距离传输OAM模式，所
以需要针对OAM模式的传输特性单独设计适合OAM模式传输的光
导结构。所以如何提高在光纤之中传播的模式之间的有效折射
(40) 率之差成为设计OAM传输用光纤的核心问题。目前为止，此类结
构的研究重点集中在环状折射率光纤上。
3.4.2 环状折射率分布的OAM光纤
o
o
该公式中，HE mn 和EH mn 分别代表HE mn 和EH mn 模式中的奇模式 典型的环状折射率分布的OAM光纤是美国波士顿大学的
和偶模式，而F mn 则为相应的标量模式的径向场分布。在公式 Ramachandran等提出的Vortex fiber（称为涡旋光纤），如图
（40）中可以看出，进行奇偶叠加后，HE mn 和EH mn 中均含有e jmψ 17所示。
部分，即均为OAM模式。其中HE模的拓扑荷为m-1，而EH模的拓
扑荷为m+1，其分别可以记录为OAM ± HEmn 和OAM ± EHmn 。此外，OAM模 图 17 环状 OAM 光纤的折射率剖面
式也可表示为如公式（41）：
(41)

OAM模式可以由两个相同传播常数的本征模式变换π/2相
位后叠加而成。同理，对于弱导近似光纤，OAM模式也可以由LP
模式叠加而成。OAM模分为圆偏振和线偏振两类。
圆偏振OAM可表示为：

(42)

在环状折射率分布光纤方面，其结构设计是通过设计合适
σ= x ± i y 表示圆偏振方向的左旋或右旋，OAM下角标 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
的±则表示波前相位的右旋或左旋。 差，从而减少各个OAM模式之间的简并情况。
线偏振OAM可表示为： 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，径向保持单模状态，因此祗能传输
(43) OAM m,1 模。环光纤中各模式的有效折射率由图18所示。

3.4.1 用以传输OAM模式的光纤结构 图 18 环光纤中各模式的有效折射率
在少模光纤的模分复用(LP或OAM复用)中,复用的各模式
间有效折射率差愈大,模间耦合就愈小,反之亦然。在常规的阶
跃型折射率剖面分布的光纤中，模式之间的有效折射率差值小
-4
于10 时，模式就会简并为LP模,如图16A所示，其中TE 01 ，TM 01
和HE 21 有效折射率相同，故可形成LP 11 模，但无法将HE 21 组成的
OAM 11 模与TM 01 和TE 01 模的有效折射率分开,故OAM 11 模无法正常传
比较16和图18中各模式的有效折射率,可见环状OAM光纤中
输。所以在常规的阶跃型折射率剖面分布的光纤中，OAM模无法
正常传输,必须特殊设计光纤的折射率剖面分布使各OAM模与其 各模式的有效折射率差明显增大。
3.5 光纤波导中的CVB光束的概念和基本性质
他模式的有效折射率差增大,如图16B所示。
偏振是光的特性之一，如常见的线偏振光，圆偏振光，
图 16 多模光纤中各模式的有效折射率 椭圆偏振光，它们的共同特点是光束横截面上各点的偏振态相
同。空间偏振分布不一致的矢量光束由于其在传输模式和稳定
性方面特有的优势，是近年来光通信领域的研究热点之一。偏
振呈轴对称分布的柱矢量光束（CVB）中心的能量为零，并且其
能量分布也是轴对称的（圆环形）。
柱矢量光束横截面的偏振呈轴对称分布，是麦克斯韦方程
组的解，广义的柱矢量光束可以表示为：
(44)

网络电信 二零二一年十二月 27