【摘 要】
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伴随着光通信领域的快速发展,通信容量已经成为制约信息技术发展的关键,目前空分复用技术已成为解决光纤通信容量接近香农极限的最优方法。在空分复用方法中,轨道角动量（OAM）复用技术利用OAM光束之间的正交性可有效提升信道容量,而如何设计光纤结构以实现OAM低损耗传输成为该领域需要解决的问题。光子晶体光纤（Photonic crystal fiber:PCF）由于其结构设计上的灵活性,被认为是OAM模式
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伴随着光通信领域的快速发展,通信容量已经成为制约信息技术发展的关键,目前空分复用技术已成为解决光纤通信容量接近香农极限的最优方法。在空分复用方法中,轨道角动量（OAM）复用技术利用OAM光束之间的正交性可有效提升信道容量,而如何设计光纤结构以实现OAM低损耗传输成为该领域需要解决的问题。光子晶体光纤（Photonic crystal fiber:PCF）由于其结构设计上的灵活性,被认为是OAM模式的优秀载体,可以实现OAM模的低损耗传输。但在设计过程中要求不同矢量模式之间的有效折射率差大于10-4,以确保OAM的稳定传输。本文设计了不同的PCF结构,采用有限元法进行建模分析,以实现OAM模传输过程中具有低限制损耗,低非线性系数,大有效模场面积和平坦色散。首先提出了一种基于六重准晶体结构的光子晶体OAM光纤,该结构采用纯Si O2作为背景材料,通过设计包层空气孔的结构使不同矢量模式之间的有效折射率差大于10-4。该光纤在1.00-1.85μm波长范围内,可支持传输18种OAM模式,大部分模式的限制损耗被控制在10-9-10-10d B/m的范围内,在1.55μm波长下非线性系数最小可低至3.16 W-1/km,最大仅为3.77 W-1/km。为增加传输模式数,设计了一种基于十二重光子准晶体结构的OAM光纤,该光纤采用高折射率材料碲酸盐玻璃作为环形芯,其在1.55μm波长下的折射率为2.027811,有效提高了环形芯与包层之间的折射率差,因此使光纤中支持的OAM模式数量增加。该光纤在1.46-1.60μm波长范围内,支持传输110种OAM模式,大部分模式的有效模场面积大于100μm~2,并具有限制损耗小,色散相对平坦的优点。最后设计了一种大模场面积光子晶体OAM光纤,该光纤以Si O2作为背景材料,包层中均采用圆形空气孔,一定程度上降低了光纤的制作难度,并展现出极好的光学特性。在1200-2000nm的宽范围内可支持多达134个OAM模式,有效模场面积达到259.97-423.99μm~2,所有本征模的限制损耗低至10-9-10-10d B/m,非线性系数低于0.47 W-1/km,具有较好的应用潜力。
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