中(zhong)國(guo)計量大(da)學(xue)：基(ji)於太(tai)赫茲波(bo)段(duan)的(de)負曲(qu)率(lv)軌(gui)道角(jiao)動量光纖

隨(sui)著通信技(ji)術的(de)快速發展，近些(xie)年(nian)的(de)通信容(rong)量實(shi)現(xian)了(le)快速增長(chang)，傳(chuan)統的(de)光纖通信網絡(luo)已(yi)經難以(yi)滿(man)足(zu)當(dang)前(qian)高(gao)速通信的(de)需(xu)求(qiu)。增(zeng)大(da)通信網絡(luo)的(de)容(rong)量(liang)和(he)提高(gao)通信速(su)度的(de)壹(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是開(kai)發太(tai)赫茲(Terahertz, THz)波(bo)段(duan)的(de)光纖通信空間維(wei)度。太(tai)赫茲波(bo)是介(jie)於微(wei)波(bo)和紅(hong)外光之(zhi)間的(de)壹(yi)種(zhong)電(dian)磁(ci)波(bo)，頻率(lv)介於(yu)0.1THz到10THz之(zhi)間，由(you)於它(ta)帶(dai)寬(kuan)大(da)和傳(chuan)輸速度快以(yi)及可(ke)以(yi)提供(gong)點對(dui)點的(de)網絡(luo)拓撲(pu)結構(gou)而備受(shou)關註(zhu)。而在(zai)空間維(wei)度資源(yuan)中，基(ji)於軌(gui)道角(jiao)動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的(de)模(mo)分復(fu)用技術(shu)由(you)於攜帶(dai)不同拓(tuo)樸(pu)荷(he)數的(de)相互(hu)正(zheng)交(jiao)的(de)軌(gui)道角(jiao)動量模式(shi)成為(wei)擴(kuo)大(da)通信容(rong)量的(de)壹(yi)種(zhong)非常有潛力的(de)方(fang)案。軌(gui)道角(jiao)動量具(ju)有(you)全(quan)新(xin)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)自由(you)度特性，具(ju)有(you)軌(gui)道角(jiao)動量特性的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)可以(yi)在(zai)常(chang)用的(de)信(xin)息(xi)傳(chuan)輸方(fang)式(shi)，如波(bo)分復(fu)用（Wave Division Multiplexing，WDM）、偏振復用（Polarization Multiplexin，PM）、時分復(fu)用（Time Division Multiplexing，TDM）等信(xin)息(xi)傳(chuan)輸方(fang)式(shi)上(shang)成(cheng)倍的(de)提高(gao)信息(xi)傳(chuan)輸容量。

近日(ri)，中(zhong)國計(ji)量大(da)學(xue)嚴(yan)德(de)賢課(ke)題組(zu)提出了(le)基(ji)於太(tai)赫茲波(bo)段(duan)的(de)負曲(qu)率(lv)軌(gui)道角(jiao)動量光纖。該(gai)光纖以(yi)重(zhong)慶(qing)摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)科技(ji)有限公司(si)提供(gong)的(de)HTL聚合物(wu)材料（耐(nai)高(gao)溫樹(shu)脂(zhi)）為(wei)基(ji)底(di)，采(cai)用兩層(ceng)傾斜橢圓管的(de)結構(gou)設(she)計，通過引(yin)入環(huan)芯(xin)區域在(zai)0.4-0.8THz波(bo)段(duan)成(cheng)功產(chan)生(sheng)50-52個(ge)OAM模式(shi)，且(qie)在(zai)所(suo)研(yan)究(jiu)的(de)波(bo)段(duan)內(nei)獲得(de)了(le)高(gao)模式(shi)純度、低限(xian)制(zhi)損耗(hao)和(he)低(di)波(bo)導色(se)散(san)等傳(chuan)輸特性，相關研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)以(yi)“Design of negative curvature fiber carrying multiorbital angular momentum modes forterahertz wave transmission"為(wei)題發表在(zai)《Results in Physics》。

圖(tu)1.3D打(da)印(yin)負曲(qu)率(lv)軌(gui)道角(jiao)動量光纖結構(gou)圖

圖(tu)1展示(shi)了基(ji)於摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)nanoArch S140打(da)印技術(shu)的(de)3D打(da)印(yin)光纖樣(yang)品(pin)圖。光纖整(zheng)體(ti)尺寸為(wei)6.57mm，靠(kao)近纖(xian)芯(xin)區域的(de)第(di)二(er)層(ceng)傾斜橢圓管結構(gou)最(zui)小尺寸(cun)為(wei)0.051mm。光纖結構(gou)設(she)計完成後，在(zai)Comsol Multiphysics有(you)限(xian)元(yuan)仿(fang)真軟(ruan)件中(zhong)選(xuan)取(qu)光纖結構(gou)的(de)任(ren)壹(yi)截(jie)面進行仿(fang)真研(yan)究(jiu)。在(zai)研(yan)究(jiu)頻段(duan)內(nei)給定相應的(de)太(tai)赫茲頻率(lv)後，可(ke)以(yi)獲得(de)相應的(de)模(mo)場(chang)分布(bu)，針(zhen)對(dui)相應的(de)模(mo)式(shi)進行數(shu)據收集和(he)處(chu)理(li)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)所(suo)需傳(chuan)輸特性。

在(zai)光纖中(zhong)產(chan)生OAM模式(shi)的(de)前(qian)提條(tiao)件是有(you)效生成(cheng)HE和(he)EH模式(shi)，且(qie)HEl+1，1與EHl-1，1有效(xiao)模(mo)式(shi)折射(she)率(lv)差異高(gao)於10-4。光纖中(zhong)的(de)OAM模(mo)式(shi)合成(cheng)規則(ze)可(ke)由(you)公式(shi)1表述(shu)：

圖3是OAM光纖各(ge)種(zhong)傳(chuan)輸特性隨頻率(lv)的(de)變(bian)化趨勢。由圖3(a)和(b)可(ke)知(zhi)，光纖產(chan)生(sheng)的(de)所(suo)有(you)HEl+1，1與EHl-1，1之(zhi)間的(de)折(zhe)射(she)率(lv)差異均高(gao)於10-4，表(biao)明HE和EH模(mo)式(shi)均可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)合(he)成OAM模式(shi)。圖3(c)是光纖的(de)限(xian)制(zhi)損耗(hao)特(te)性，限制(zhi)損耗(hao)與光纖的(de)有(you)效(xiao)傳(chuan)輸距離(li)密切相關，由(you)圖可知(zhi)光纖的(de)限(xian)制(zhi)損耗(hao)在(zai)0.55-0.8THz區間最(zui).低可以(yi)達(da)到(dao)10-15(dB/cm)量級。圖(tu)3(d)表(biao)示(shi)了OAM光纖的(de)低(di)平(ping)坦色散(san)趨勢，在(zai)0.4-0.8THz區間有(you)近零(ling)的(de)波(bo)導色(se)散(san)參數，有(you)利於(yu)太(tai)赫茲波(bo)在(zai)光纖內(nei)部(bu)的(de)快速傳(chuan)輸。OAM模式(shi)的(de)高(gao)模式(shi)純度特性表明了光纖可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)攜(xie)帶(dai)信(xin)息(xi)進行傳(chuan)輸，由圖3(e)所示(shi)結果(guo)，在(zai)0.55-0.8THz區間光纖的(de)OAM模(mo)式(shi)純度均高(gao)於80%。圖(tu)3(f)是OAM光纖的(de)有(you)效(xiao)模(mo)場面積特性，壹般來說具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)有(you)效(xiao)模(mo)場面積可以(yi)產(chan)生(sheng)較(jiao)小的(de)非線性特性，可以(yi)進(jin)壹(yi)步(bu)提高(gao)信息(xi)的(de)傳(chuan)輸質量。

圖3.(a)有效(xiao)模(mo)式(shi)折射(she)率(lv)，(b)有效(xiao)模式(shi)折射(she)率(lv)差異，(c)限制(zhi)損耗(hao)，(d)波(bo)導色(se)散(san)，(e)OAM模式(shi)純度，(f)有效(xiao)模場(chang)面積隨(sui)頻率(lv)的(de)變(bian)化趨勢