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       。

                                                       网络电信 二零二三年十月                                            41
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