中國計(jì)量大學(xué)嚴(yán)德賢課題組：基于太赫茲波段的負(fù)曲率軌道角動(dòng)量光纖

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，近些年的通信容量實(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)量具有全新的電磁波自由度特性，具有軌道角動(dòng)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(shí)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(jì)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(dòng)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(jì)，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(gè)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 for terahertz wave transmission"為題發(fā)表在《Results in Physics》。

圖1.3D打印負(fù)曲率軌道角動(dòng)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(jì)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(chǎng)分布，針對(duì)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HE_l+1，1與EH_l-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：

                 (1)

根據(jù)公式1，在圖2中給出了和在0.5THz的線性疊加過程以及相位分布圖。

圖2.和在0.5THz的線性疊加過程以及相位分布

如圖2所示，和在模式合成后環(huán)芯區(qū)域有效產(chǎn)生OAM模式的模場(chǎng)分布，并獲得[-?-?]的相位分布效果，滿足在光纖中產(chǎn)生OAM模式的合成規(guī)則。

圖3是OAM光纖各種傳輸特性隨頻率的變化趨勢(shì)。由圖3(a)和(b)可知，光纖產(chǎn)生的所有HE_l+1，1與EH_l-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)可以達(dá)到10^-15(dB/cm)量級(jí)。圖3(d)表示了OAM光纖的低平坦色散趨勢(shì)，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(chǎng)面積特性，一般來說具有較高的有效模場(chǎng)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(chǎng)面積隨頻率的變化趨勢(shì)

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https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104766