Page 21 - 网络电信2023年10月刊
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本文在传统PCF的基础上，包层空气孔基于阿基米德螺线 式中，λ表示工作波长，单位为μm。
排列，设计了一种新型螺旋PCF结构。该结构采用二氧化硅作 通过软件COMSOL Multiphysics对本文设计的光纤进行仿真
为基底材料，通过全矢量有限元软件对该PCF结构进行仿真分 分析，设计过程如图2所示，其中图2(a)是包层结构为阿基米德
析，结果表明该结构在1300～1800 nm波段上支持22种OAM模 螺线的PCF,将图中标红的空气孔围绕纤芯顺时针旋转24次，每
式稳定传输，且矢量模式间的有效折射率差维持在7.29×10- 次旋转角度θ 1 =15°,得到本文设计的结构，如图2(b)所示。
4～4.18×10-3之间，有效避免了矢量模式在光纤中产生的模式
简并，保证了模式的稳定传输。该结构具有约束损耗低、有效 图2 螺旋空气孔包层建模示意图
折射率差大、色散平坦、非线性系数低等特点，对于提高光通
信容量具有重要的价值。
一、光纤结构及模式分析
1.1 光纤结构设计
本文设计出一种基于阿基米德螺线的螺旋PCF,光纤结构如
图1所示。图中灰色部分为空气，紫色部分为二氧化硅。光纤的
纤芯为一个大空气孔，包层围绕24组螺旋臂，其中每组螺旋臂
包含11个直径相同的小空气孔。包层与纤芯之间的环形高折射
率区域用于OAM模式的传输，基于阿基米德螺线的螺旋臂能有效
阻止光的泄露，并增大矢量间的有效折射率差，有效避免了矢
量模式间的简并。
图1 光纤结构横截面图
1.2 OAM模式分析
OAM模式可看做同阶矢量模奇偶模式的叠加[12]:
（2）
odd
odd
式中，HE even ,EH even 分别表示HE,EH的偶模，HE ,EH 分别
表示HE,EH的奇模，奇模和偶模之间存在一个大小为π/2的相
位差。l表示拓扑电荷数，m表示径向阶数，上标符号“±”表
光纤纤芯部分的大空气孔半径为r 0 =3.8μm,纤芯中心到包
示圆偏振的左右方向，下标符号“±”表示螺旋相位的旋转方
层最内层空气孔的距离为r 1 =5.5μm, 光纤包层部分的小空气孔 向。
直径为d 0 =0.5μm, 纤芯到包层外环的半径r 2 =16μm, 纤芯到最
OAM模式的生成过程如图3所示 [13] 。OAM模式由矢量模式叠加
外层环的半径r3=18μm, 包层最内层的空气孔数为N=24,其相邻 组成，类似于线偏振模式的形成过程，当矢量间的有效折射率
空气孔之间的角度为θ 1 =15°。
-4
差大于1×10 时，叠加的矢量模式就会形成OAM模式。由图3可
该结构的基底材料为二氧化硅，其有效折射率n silica 的 知，HEl+1,m的奇偶模式叠加形成的OAMl,m模式的场旋转方向与
Sellmeier色散方程表示为
圆偏振方向相同，而由EH l-1,m 的奇偶模式叠加形成的OAMl,m模式
的场旋转方向与圆偏振方向相反，所以当l=1时，OAM l,m 具有相
同的场旋转方向，包含2个OAM模式；当l>1(l≥2)时，OAM l,m 模
式分成正负拓扑荷数、左右旋偏振方向的4种信息模式，即每个
(1) [14]
OAM l,m 模式组包含4个不同的OAM模式 。
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