Page 22 - 网络电信2023年10月刊

光 通 信

图3 OAM模式生成示意图 图4 四种模式的仿真模式图

与EH l-1,1 模式的neff越来越接近，导致阶数越高的Δn eff 越小。
-4
当矢量模式间的有效折射率差小于1×10 时，会引起EH模式
与HE模式简并成线偏振模式，对信号的稳定传输造成极大的影
响，为了保证光纤中OAM模式的稳定存在，同一个OAM模式组的
-4
EH和HE模式的Δn eff 需大于1×10 。
用图1所示结构仿真得出，该结构可传输的HE模式和EH模式
在PCF中，不同模式的传播常数β不同，传播常数越大，光
分别为HE2,1,HE3,1,HE4,1,HE5,1,HE6,1,HE7,1,EH1,1,EH2,1,E
纤束缚光的能力就越强。传播常数β和有效折射率neff之间的
H3,1,EH4,1和EH5,1,结合式(2)与图3可知，该结构可支持传输
数学关系表示为[15]
的拓扑荷数为6个，即l=1～6。在光纤通信中，每一个OAM模式
态都可以做为一个独立的信道传输光信息。该结构可合成22个
OAM模式，表1为该结构支持的OAM模式及其相应的矢量模式。
(3)
表1 该结构支持的 OAM 模式及相应的矢量模式 式中，k 0 =2π/λ表示真空中的波数，λ表示波长，β表示
传播常数。
OAM模式 拓扑荷数 矢量模式 在多模光纤中，随着波长的增加，光束的场分布慢慢扩大
OAM 1,1 1 HE 2,1 到包层区域，高阶矢量模式的场分布比低阶矢量模式更容易扩
OAM 2,1 2 HE 3,1 ,EH 1,1 展到包层区域，因此低阶模式的n eff 大于高阶模式的n eff 。如图5
OAM 3,1 3 HE 4,1 ,EH 2,1 所示，OAM模式的neff处于1.34～1.42的区间中，随着波长的增
OAM 4,1 4 HE 5,1 ,EH 3,1 加，n eff 曲线呈逐渐下降的趋势，HE l+1,m 和EH l-1,m 模式的n eff 相差越
OAM 5,1 5 HE 6,1 ,EH 4,1 来越大，即Δn eff 越来越大，因此光纤中矢量模式的Δneff随波
OAM 6,1 6 HE 7,1 ,EH 5,1 -4
长的增加而增加。如图6所示，由图中1×10 标准线可知，所有
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eff
模式的Δn 均大于1×10 ,模式的Δn eff 呈逐渐上升的趋势。在
图4展示了波长为1550nm时，EH 4,1 ,EH 5,1 ,HE 4,1 和HE 5,1 模式的
图5 不同矢量模式在不同波长下的有效折射率变化
归一化电场分布图和Ez方向的电场分布。在归一化电场分布图
中，各个矢量模式被限制在由空气和二氧化硅折射率差形成的
高折射率区域内，同时模式的电场强度中心为零，符合传输OAM
光束的要求。但在归一化电场的分布图中无法准确地分辨出EH
和HE模式，而矢量模式在Ez方向的电场分布更容易分辨出EH和
HE模式，EH模式在Ez方向的电场分布更靠近光纤纤芯部分，而
HE模式更靠近光纤包层部分。

二、仿真优化及性能分析
2.1 有效折射率及有效折射率差
利用Comsol仿真计算，可得到每个模式的有效折射率
(n eff ),进而得到各模式的有效折射率差(Δn eff )。根据Δn eff 可以
判断生成OAM模式的阶数，随着OAM模式阶数的增加，HE l+1,1 模式

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