Page 24 - 网络电信2023年10月刊

光 通 信

2.4 有效模场面积及非线性 图9 不同矢量模式在不同波长下的非线性系数变化
非线性系数是衡量光纤非线性效应的重要指标，非线性效
应是影响模式传输质量的重要因素之一，OAM模式的非线性效应
越小，光纤通信系统的传输质量越好。非线性系数计算表示为
[22]

（6）

-20
式中，n2表示材料的非线性折射率，其取值为n 2 =2.6×10
-1
-1
-1
m2•W ;A eff 表示模式的有效模式面积，γ的单位为W •km 。
OAM模式的非线性系数与其有效模式面积A eff 有很大的关
系。对于多模光纤来说，大模式面积是至关重要的属性，具有
较大模式面积的OAM光纤不易受到非线性效应的影响。因此应
尽可能地使光纤具有较大的有效模式面积，提高模式的传输质
量。A eff 表示为[22]
三、结论
本文设计了一种基于阿基米德螺线的螺旋光子晶体光纤，
(7)
在1300～1800 nm波段内可稳定传输22种OAM模式。通过仿真计
算得到该结构具有以下特性：(1)有效折射率差大。各个矢量模
式的有效折射率差均大于1×10-4,在1 550 nm波长下的有效折
式中，E(x,y)表示光纤的横向电场强度分布，A eff 的单位为
2
μm 。 射率差可达到2.89×10-3,有效避免了模式间的耦合，保证模
式的稳定传输；(2)色散系数低且色散曲线平坦。在1 300～1
根据式(6)和式(7)可以看出，OAM模式的A eff 和非线性系数
是呈倒数关系的，A eff 越大，非线性系数就越小，光纤通信系统 800 nm波段内，OAM模式的色散系数维持在58.36～286.91
ps/(nm•km),EH1,1模式的色散变化幅度可达到 0.55 ps/
的传输质量越高。不同矢量模的有效模式面积随波长的变化如
图8所示。由图中可以看出，在1300～1800nm 波段上，TE0,1 (nm•km);(3)低限制损耗。在1 550 nm波长下，HE1,1模式的限
2
模式拥有最大的有效模式面积，约为54.49 μm ;其次为HE 7,1 模 制损耗为1.39×10-9 dB•m-1,提高了光纤通信中信息传输的质
2
2
式，约为51.81μm ;最小的是HE 1,1 模式，约为33.32μm 。随着 量；(4)较低的非线性系数。HE7,1模式在1 550 nm波长下的非
线性系数为2.17 W-1•km-1,有效地减小了非线性效应对OAM模式
波长和矢量模式阶数的增加，各阶模式的A eff 也随之增加。
非线性系数与A eff 相反，不同矢量模的非线性系数随波长的 传输的影响。该研究成果为光子晶体光纤功能器件的研发提供
了理论支持，且对高容量光纤通信中基于光纤的 OAM 多路复用
变化如图9所示，在1300～1800nm波段上，HE 1,1 模式的非线性系
-1
-1
数值最大，约为3.77W •km ,TE0,1模式的非线性系数最小，约 有着重要的意义。
-1
-1
为1.67W •km ,各阶模式的非线性系数随波长和模式阶数的增加
而逐渐减小。在1550nm波长处，HE 7,1 模式的非线性系数为2.17
-1
-1
W •km ,该结构的模式非线性系数小，有利于减小光纤中的非线
性效应，更有助于OAM模式在PCF中的稳定传输。
参考文献
图8 不同矢量模式在不同波长下的有效模式面积变化 [1] Allen L,Beijersbergen M W,Spreeuw R J C,et al.Orbital
angular momentum of light and the transformation
of Laguerre-Gaussian laser modes[J].Phys.Rev.
A,1992,45(11):8185-8189.
[2] Bozinovic N,Yue Yang,Ren Yongxiong,et al.Terabit-scale
orbital angular momentum mode division multiplexing in
fibers[J].Science,2013,340(6140):1545-1548.
[3] Hu Ziang,Huang Yuqi,Luo Aiping,et al.Photonic crystal
fiber for supporting 26 orbital angular momentum
modes[J].Opt.Express,2016,24(15):17285-17291.
[4] 侯金，王林枝，杨春勇，等.轨道角动量光通信研究进展[J].
中南民族大学学报：自然科学版，2014,33(1):67-72.Hou
Jin,Wang Linzhi,Yang Chunyong,et al.Progress in optical
orbital angular momentum communications[J].J.of South-
Central University for Nationalities (Natural Science
Edition),2014,33(1):67-72.

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