Page 20 - 网络电信2023年10月刊

光 通 信

一种可传输轨道角动量的螺旋光子晶体光纤

刘兆伦 隋艳茹 郭晓洁 云伟 刘子岳
燕山大学信息科学与工程学院 燕山大学河北省特种光纤与光纤传感重点实验室

摘 要：设计了一种基于阿基米德螺线的新型螺旋光子晶体光纤，该光纤以二氧化硅为基底材料，包层由24
个螺旋臂组成，每个螺旋臂包含11个小空气孔，纤芯设有大空气孔，包层与纤芯中间的环形区域用于传输轨道
角动量模式。该结构在1300～1800 nm波段上可支持22种轨道角动量模式稳定传输，在1550nm波长下，有效折射
率差最高可达2.89×10-3,色散系数最低可达66.4ps/(nm•km),非线性系数最低可达2.17W-1•km-1,且1500～1600
nm波段上的色散值变化均小于15.15ps/(nm•km)。此螺旋光子晶体光纤不仅结构简单，且具有低非线性、色散平
坦的性能，为螺旋光子晶体光纤的设计提供了思路。
关键词：光纤光学;轨道角动量;光子晶体光纤;螺旋排列;色散平坦;

引言 Fibre, PCF)的包层结构设计灵活，且能够降低光信号传输过程
随着现代信息技术的快速发展，以及互联网、云计算等技 中产生的限制损耗和色散，从而具有传统光纤无法比拟的优势
术的大规模应用，设计出传输速度快、通信容量大的光纤通信 [5,6] ,因此，设计包层结构新颖的PCF具有重要的研究价值。2012
系统成为亟需解决的问题。近年来提出的轨道角动量(Orbital 年，Yue等[7]设计了包层气孔呈正六边形排列的PCF,利用基底
Angular Momentum, OAM)复用技术作为一种新兴的技术，为 材料As2S3与空气孔间存在较大的材料折射率差，产生了2个OAM
[8]
提高数据传输速度、扩大信道容量提供了新的思路。1992年， 模式，但限制损耗较大。2015年，Zhang等 在传统环形PCF的
[1]
Allen等 在波前结构为螺旋状分布的拉盖尔-高斯(Laguerre- 基础上去掉最内环的空气孔，得到了改进的环形PCF,具有宽带
[9]
Gaussian, LG)光束中发现了OAM,第一次提出轨道角动量的概 宽、低损耗的优良特性。2016年，Tian等 在光纤纤芯处增加
念，引起了国内外研究人员的广泛关注。OAM光束用exp(ilθ) 了一个空气孔，去掉了最内层的两层空气孔，设计出具有色散
表示，其中θ表示方位角，l表示拓扑电荷数(一般为整数) 平坦的环形PCF。2018 年，Nandam等 [10] 将最内层空气孔进行旋
[2,3] 。不同拓扑电荷数的OAM模式间具有相互正交的特性，利用 转，提出了一种包层气孔为螺旋排列的PCF,可以支持14种OAM模
这种特性可同时传输多个OAM模式信息，从而达到扩大通信容量 式的传输，并具有色散平坦的特性。2020年，Israk等[11]用高
的目的。 折射率材料环围绕光纤纤芯的空气孔，提出一种环形线圈结构
利用光纤传输OAM光信号可以扩大传输容量，实现长距离 的PCF,同时具备低非线性、低色散的特性。
[4]
的传输 。相比于传统光纤，光子晶体光纤(Photonic Crystal

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