传输OAM模环光纤的设计与特性研究

摘要

随着信息时代的飞速发展，人们对通信容量的需求急剧增长，现有光纤通信系统已经不能满足人们的需求。为了解决通信容量危机，新技术不断涌现。其中，光纤轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）光通信为此提供了一条潜在解决途径。由于具有不同拓扑电荷数的OAM模式在空间中具有正交性，且理论上其拓扑荷可取无穷个，在通信系统中利用OAM光束作为信息载体的研究逐步引起广泛关注。
　　OAM光通信中传输媒介是关键器件，目前OAM的传输媒介主要有自由空间和光纤两种。在自由空间光通信中，目前的传输速率可达Tbit/s量级，OAM模式数量也能达到几十个。但是OAM光束在自由空间中传输易受到大气环境变化和外界干扰，传输距离较短，能量分布发散，所以OAM在光纤中的传输是目前的研究热点。
　　本文首先分析了OAM在光纤中传输的理论基础，设计了一种新型环形缓变折射率OAM传输光纤。在普通圆形光纤的纤芯和包层之间加了一层缓变折射率层，然后应用基于FEM的COMSOL软件，仿真分析了光纤的各个结构参数，包括各层半径以及各层的折射率对光纤的色散，非线性系数的影响，得到了一种最低模式的色散为3ps/（nm·km），非线性系数为6.1km-1·w-1的光纤结构。仿真结果表明该光纤可以传输18个模式（其中16个OAM模式以及TE01，TM01模式），其模式间有效折射率差可达到6.656×10-3，能够有效减小矢量模之间的简并；同时又由于光纤的折射率是渐变的，这种结构可以把模式纯度提高到99.9%，从而有效降低模间串扰。
　　最后计算了工艺误差对光纤性能的影响，结果标明，传输层的不圆度对光纤传输距离的影响最为明显。最后介绍了OAM传输光纤在未来通信系统中的应用前景。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 光轨道角动量简介

1.2 光轨道角动量的应用

1.3 光轨道角动量复用技术的研究现状

1.4 论文研究重点及安排

第二章 光轨道角动量传输理论与基础

2.1 光轨道角动量理论基础

2.2 轨道角动量在光纤中的表示

2.3 轨道角动量的研究方法

2.4 COMSOL软件

2.5 本章小结

第三章 环形缓变折射率OAM传输光纤的设计及损耗分析

3.1 环形光纤概述

3.2 环形光纤折射率分布选择

3.3 结构的优化

3.4 本章小结

第四章 OAM环光纤色散、非线性及不圆度分析

4.1 色散

4.2 非线性系数

4.3 缓变环光纤模式分布分析

4.4 不圆度对光纤性能的影响

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 轨道角动量在光通信系统中的应用

5.3 研究展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢