“智能光子应用技术”专栏 | MDPI Sensors：支持高纯度OAM模式的折射率渐变型环芯光纤

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引言✦

在当今这个信息化的时代，通信容量已逐渐趋近香农极限，如何满足针对通信容量的快速增长需求已经成为现代光纤通信系统的一个关键问题。为了解决容量危机，科研工作者对在不同的光子维度上复用光信号进行了广泛的研究，例如时间、波长、振幅、相位、偏振和空间。其中，空分复用 (SDM) 技术利用光波在空间物理维度上的自由度，可应用于多芯光纤、多模光纤或多芯多模光纤中，进一步提高传输性能，扩大光纤通信系统的容量。光子轨道角动量 (OAM) 复用技术是空分复用的一种特殊形式。

OAM是具有螺旋相位光束的自然属性，理论上具有无限的拓扑电荷。携带 OAM光束的螺旋相前可以描述为e^ilφ，其中φ是方位角，l是拓扑电荷。不同拓扑电荷的OAM模式是相互正交的，因此不同的OAM模式可以为复用技术提供新的自由度。此外，OAM的复用与偏振和波长无关，这使得它在提高光纤通信系统容量方面具有巨大潜力。本篇发表在Sensors 期刊上的研究文章，设计了一种具有渐变折射率轮廓的掺锗环芯光纤，这种渐变的折射率分布可以抑制自旋轨道耦合的影响，减少不同模式之间的功率交换，进而提高OAM模式的纯净度，降低光纤通信系统的本征串扰。通过调节优化各种结构参数，所设计的光纤还可以满足对模式阶数、有效模式面积等的不同要求，并对实际光纤的拉制过程提供参考。

 研究内容 

2009年，Ramachandran等人提出并分析了环芯光纤传输涡旋光束的可行性，这为OAM模式在光纤中的稳定传输打开了一扇新的大门。在环芯光纤中，环形的高折射率区域分布能够更好地匹配OAM模式的模场分布，并为不同的OAM模式提供更大的折射率分离，显著提高模式间的有效折射率差，减轻模式串扰。然而，环形纤芯与包层间较大的折射率差异会显著增强纤芯包层界面间的自旋轨道耦合效应。在强自旋轨道耦合的情况下，一部分传输光束所携带的OAM会被转换为自旋角动量 (SAM)，这也就意味着光纤中所传输的涡旋光场不再是纯净的OAM模式，偏振态也不再是纯圆偏振态。此时，OAM模式的纯度降低，一部分OAM模式的功率会耦合到其它阶的OAM模式中，接收端正交OAM模式的解复用效率降低，不同模式之间的串扰也随之增加，导致通信系统的成本进一步增加。

本文设计了一种掺锗的渐变折射率型环芯光纤，并通过有限元分析的方法对设计的光纤进行了模拟仿真。光纤中不同阶数OAM模式的复用以及所设计的光纤结构及折射率分布示意图如图1所示。在纤芯和包层的交界处，作者设计了渐变的折射率分布来代替传统的阶跃折射率分布，极大地缓解了交界处折射率分布的不连续性，从而能够抑制OAM和SAM的耦合效应。通过采用渐变折射率分布的设计，可以极大地降低光纤中传输的OAM模式的功率耦合到其它阶OAM模式，这有利于提高OAM模式纯度，降低OAM光纤的模间串扰。

图1. (a) OAM模式复用示意图；(b) 掺锗渐变折射率型环芯光纤的横截面和折射率分布。

文中计算了在由形状因子α控制的不同渐变折射率分布和阶跃折射率分布下，所设计光纤能够支持的不同阶数OAM模式的纯净度，如图2所示。显然，在相同的径向单模条件下，具有渐变折射率分布的环芯光纤比传统的阶跃折射率型环芯光纤模式纯净度更高。此外，由于渐变折射率分布能够打破纤芯包层界面之间的折射率不连续性，更好地抑制自旋轨道耦合效应，因此更平滑的折射率分布具有更高的模式纯净度。本文设计的渐变折射率环芯光纤中，由HE本征模式合成的OAM_1,1模式的纯净度高达94.43%，相比阶跃折射率环芯光纤提高了7.95%，由EH本征模式合成的OAM_2,1模式的纯净度也提高了7.70%，这意味着低阶OAM模式的纯净度在渐变折射率环芯光纤中有了显著的提高。

图2. 具有不同形状因子的由 (a) EH合成的和 (b) HE合成的OAM模式的纯净度。

为了进一步观察自旋轨道耦合效应的影响，并验证缓解纤芯包层界面折射率分布的不连续性对模式纯净度的提高，作者计算并比较了在不同形状因子下具有不同GeO₂摩尔掺杂分数和环芯位置的OAM_1,1模式的纯净度，如图3所示。如上所述，高的GeO₂摩尔分数会带来更大的纤芯包层的折射率差，也将引入更强的自旋轨道耦合效应，这意味着渐变的折射率分布对自旋轨道耦合效应的抑制也会更加明显。因此，可以看到，在更高的GeO₂摩尔分数下，OAM_1,1的纯净度有更显著的提高。

图3. 基于HE_2,1本征模的OAM_1,1模式纯净度。

 研究总结 

在本文中，设计了一种具有GeO₂掺杂的渐变折射率型环芯光纤。这种光纤可以抑制自旋轨道相互作用的影响，从而提高光纤中传输OAM模式的纯净度。所设计的渐变折射率型环芯光纤在1550 nm下最多可支持322种OAM模式。与阶跃折射率型环芯光纤相比，文中设计光纤支持的模式纯净度均有不同程度的提高，其中由HE本征模式合成的OAM_1,1模式最大纯净度可以从86.48%提高到94.43%。此外，通过改变环芯的位置和GeO₂的摩尔分数，设计的光纤可以满足SDM的不同要求。这种光纤在提高OAM模式纯净度方面很有前途，可以降低光纤通信中固有的信道串扰，并为实际光纤的拉制过程提供参考。

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阅读英文原文

原文出自Sensors 期刊：

Liu, Y.; Wang, Y.; Geng, W.; Zhao, W.; Zhang, H.; Zhang, W.; Pan, Z.; Yue, Y. Parabolic-Index Ring-Core Fiber Supporting High-Purity Orbital Angular Momentum Modes. Sensors 2023, 23, 3641.

撰稿人：岳洋

 专栏简介 

“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。

 专栏编辑

岳洋 教授

西安交通大学

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西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师，SPIE会士、IEEE/Optica高级会员、智能光子应用技术实验室 (iPatLab) 创始人及现任PI。致力于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的基础及应用研究。已发表论文240余篇 (包括Science)，特邀论文10余篇，申请及授权专利60余项 (包括美国专利25项、欧洲专利9项，已授权30余项)，编著英文书5部，英文书章节2章，Google学术引用10,000余次，获邀报告200余次 (包括1次Tutorial，30余次Plenary和50余次Keynote)。现任IEEE Access、Frontiers in Physics副主编，Sensors 等4个学术期刊编委，J. Lightw. Technol. 等特刊客座编辑10余次，国际会议主席、技术委员会委员100余次，70余学术期刊审稿人。

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*本文内容由Sensors 期刊编委岳洋教授撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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