技術(shù)文章
Technical articles隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展,近些年的通信容量實現(xiàn)了快速增長,傳統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前高速通信的需求。增大通信網(wǎng)絡(luò)的容量和提高通信速度的一種方法是開發(fā)太赫茲(Terahertz, THz)波段的光纖通信空間維度。太赫茲波是介于微波和紅外光之間的一種電磁波,頻率介于0.1THz到10THz之間,由于它帶寬大和傳輸速度快以及可以提供點對點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。而在空間維度資源中,基于軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)的模分復(fù)用技術(shù)由于攜帶不同拓樸荷數(shù)的相互正交的軌道角動量模式成為擴(kuò)大通信容量的一種非常有潛力的方案。軌道角動量具有全新的電磁波自由度特性,具有軌道角動量特性的電磁波可以在常用的信息傳輸方式,如波分復(fù)用(Wave Division Multiplexing,WDM)、偏振復(fù)用(Polarization Multiplexin,PM)、時分復(fù)用(Time Division Multiplexing,TDM)等信息傳輸方式上成倍的提高信息傳輸容量。
近日,中國計量大學(xué)嚴(yán)德賢課題組提出了基于太赫茲波段的負(fù)曲率軌道角動量光纖。該光纖以重慶摩方精密科技有限公司提供的HTL聚合物材料(耐高溫樹脂)為基底,采用兩層傾斜橢圓管的結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過引入環(huán)芯區(qū)域在0.4-0.8THz波段成功產(chǎn)生50-52個OAM模式,且在所研究的波段內(nèi)獲得了高模式純度、低限制損耗和低波導(dǎo)色散等傳輸特性,相關(guān)研究成果以“Design of negative curvature fiber carrying multiorbital angular momentum modes forterahertz wave transmission"為題發(fā)表在《Results in Physics》。
圖1.3D打印負(fù)曲率軌道角動量光纖結(jié)構(gòu)圖
圖1展示了基于摩方精密nanoArch S140打印技術(shù)的3D打印光纖樣品圖。光纖整體尺寸為6.57mm,靠近纖芯區(qū)域的第二層傾斜橢圓管結(jié)構(gòu)最小尺寸為0.051mm。光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后,在Comsol Multiphysics有限元仿真軟件中選取光纖結(jié)構(gòu)的任一截面進(jìn)行仿真研究。在研究頻段內(nèi)給定相應(yīng)的太赫茲頻率后,可以獲得相應(yīng)的模場分布,針對相應(yīng)的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理可以得出所需傳輸特性。
在光纖中產(chǎn)生OAM模式的前提條件是有效生成HE和EH模式,且HEl+1,1與EHl-1,1有效模式折射率差異高于10-4。光纖中的OAM模式合成規(guī)則可由公式1表述:
圖3是OAM光纖各種傳輸特性隨頻率的變化趨勢。由圖3(a)和(b)可知,光纖產(chǎn)生的所有HEl+1,1與EHl-1,1之間的折射率差異均高于10-4,表明HE和EH模式均可以有效合成OAM模式。圖3(c)是光纖的限制損耗特性,限制損耗與光纖的有效傳輸距離密切相關(guān),由圖可知光纖的限制損耗在0.55-0.8THz區(qū)間。最。低。可以達(dá)到10-15(dB/cm)量級。圖3(d)表示了OAM光纖的低平坦色散趨勢,在0.4-0.8THz區(qū)間有近零的波導(dǎo)色散參數(shù),有利于太赫茲波在光纖內(nèi)部的快速傳輸。OAM模式的高模式純度特性表明了光纖可以有效攜帶信息進(jìn)行傳輸,由圖3(e)所示結(jié)果,在0.55-0.8THz區(qū)間光纖的OAM模式純度均高于80%。圖3(f)是OAM光纖的有效模場面積特性,一般來說具有較高的有效模場面積可以產(chǎn)生較小的非線性特性,可以進(jìn)一步提高信息的傳輸質(zhì)量。
圖3.(a)有效模式折射率,(b)有效模式折射率差異,(c)限制損耗,(d)波導(dǎo)色散,(e)OAM模式純度,(f)有效模場面積隨頻率的變化趨勢