基(ji)於(yu)太(tai)赫(he)茲(zi)波(bo)段(duan)的(de)負曲(qu)率(lv)軌(gui)道角動(dong)量(liang)光(guang)纖(xian)

隨著通信技術的(de)快(kuai)速發(fa)展(zhan)，近(jin)些(xie)年的(de)通信容量(liang)實現了(le)快(kuai)速增長，傳統的(de)光(guang)纖(xian)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)。增大通信網絡(luo)的(de)容量(liang)和(he)提高通信速度的(de)壹(yi)種方(fang)法是開發(fa)太(tai)赫(he)茲(zi)(Terahertz, THz)波(bo)段(duan)的(de)光(guang)纖(xian)通信空間(jian)維(wei)度。太(tai)赫(he)茲(zi)波(bo)是介於微波(bo)和(he)紅(hong)外(wai)光(guang)之(zhi)間(jian)的(de)壹(yi)種電(dian)磁(ci)波(bo)，頻率(lv)介於0.1THz到(dao)10THz之間(jian)，由(you)於它(ta)帶寬大和(he)傳(chuan)輸速度快(kuai)以(yi)及(ji)可以(yi)提(ti)供(gong)點對(dui)點的(de)網絡(luo)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構而(er)備受(shou)關註(zhu)。而(er)在(zai)空間(jian)維(wei)度資源中，基(ji)於(yu)軌(gui)道角動(dong)量(liang)（Orbital Angular Momentum，OAM）的(de)模分(fen)復用技術由(you)於(yu)攜帶不(bu)同(tong)拓(tuo)樸荷數的(de)相互(hu)正交(jiao)的(de)軌(gui)道角動(dong)量(liang)模(mo)式(shi)成為(wei)擴大通信容量(liang)的(de)壹(yi)種非(fei)常有(you)潛(qian)力的(de)方案。軌(gui)道角動(dong)量(liang)具(ju)有(you)全新的(de)電磁(ci)波(bo)自(zi)由度特(te)性(xing)，具(ju)有(you)軌(gui)道角動(dong)量(liang)特(te)性(xing)的(de)電磁(ci)波(bo)可以(yi)在(zai)常用的(de)信息傳(chuan)輸方式(shi)，如波(bo)分(fen)復用（Wave Division Multiplexing，WDM）、偏(pian)振(zhen)復用（Polarization Multiplexin，PM）、時分(fen)復用（Time Division Multiplexing，TDM）等信息傳(chuan)輸方式(shi)上成倍的(de)提高(gao)信息傳(chuan)輸容量(liang)。

近(jin)日(ri)，中(zhong)國(guo)計量大學嚴(yan)德(de)賢(xian)課題組提(ti)出了基於太(tai)赫(he)茲(zi)波(bo)段(duan)的(de)負曲(qu)率(lv)軌(gui)道角動(dong)量(liang)光(guang)纖(xian)。該光(guang)纖(xian)以(yi)重(zhong)慶摩(mo)方精(jing)密科技有(you)限公(gong)司(si)提(ti)供(gong)的(de)HTL聚(ju)合(he)物(wu)材(cai)料(liao)（耐(nai)高(gao)溫樹脂(zhi)）為(wei)基(ji)底，采(cai)用兩(liang)層傾(qing)斜(xie)橢(tuo)圓(yuan)管的(de)結(jie)構設(she)計，通過引入環(huan)芯區(qu)域(yu)在0.4-0.8THz波(bo)段(duan)成功(gong)產(chan)生50-52個OAM模式(shi)，且在(zai)所研究(jiu)的(de)波(bo)段(duan)內(nei)獲(huo)得(de)了高(gao)模(mo)式(shi)純度、低(di)限制(zhi)損耗(hao)和低(di)波(bo)導(dao)色散等傳輸特(te)性(xing)，相關研究(jiu)成果以(yi)“Design of negative curvature fiber carrying multiorbital angular momentum modes forterahertz wave transmission"為(wei)題發(fa)表在《Results in Physics》。

圖1.3D打印負(fu)曲率(lv)軌(gui)道角動(dong)量(liang)光(guang)纖(xian)結(jie)構圖(tu)

圖1展(zhan)示了基(ji)於(yu)摩(mo)方精(jing)密nanoArch S140打印技術的(de)3D打印光(guang)纖(xian)樣(yang)品(pin)圖(tu)。光(guang)纖(xian)整(zheng)體(ti)尺(chi)寸為(wei)6.57mm，靠(kao)近(jin)纖(xian)芯區(qu)域(yu)的(de)第(di)二層(ceng)傾(qing)斜(xie)橢(tuo)圓(yuan)管結(jie)構最(zui)小(xiao)尺(chi)寸為(wei)0.051mm。光(guang)纖(xian)結(jie)構設(she)計完成後，在(zai)Comsol Multiphysics有(you)限元(yuan)仿真(zhen)軟件中選取光(guang)纖(xian)結(jie)構的(de)任(ren)壹(yi)截面(mian)進行(xing)仿真(zhen)研究(jiu)。在(zai)研(yan)究(jiu)頻段(duan)內(nei)給定相(xiang)應的(de)太(tai)赫(he)茲(zi)頻率(lv)後，可以(yi)獲(huo)得(de)相應(ying)的(de)模場(chang)分(fen)布，針(zhen)對(dui)相應(ying)的(de)模式(shi)進行(xing)數據收(shou)集和處(chu)理(li)可以(yi)得(de)出所需(xu)傳(chuan)輸特(te)性(xing)。

在光(guang)纖(xian)中(zhong)產(chan)生OAM模(mo)式(shi)的(de)前(qian)提(ti)條(tiao)件是有(you)效生(sheng)成HE和EH模式(shi)，且HE_l+1，1與EH_l-1，1有(you)效模(mo)式(shi)折射(she)率(lv)差(cha)異(yi)高於(yu)10^-4。光(guang)纖(xian)中(zhong)的(de)OAM模式(shi)合成規(gui)則可由公(gong)式(shi)1表述：

圖(tu)3是OAM光(guang)纖(xian)各(ge)種(zhong)傳輸特(te)性(xing)隨頻率(lv)的(de)變化(hua)趨(qu)勢(shi)。由(you)圖(tu)3(a)和(he)(b)可知(zhi)，光(guang)纖(xian)產(chan)生的(de)所有(you)HE_l+1，1與EH_l-1，1之間(jian)的(de)折射(she)率(lv)差(cha)異(yi)均高(gao)於10^-4，表明(ming)HE和EH模(mo)式(shi)均可以(yi)有(you)效合(he)成OAM模式(shi)。圖3(c)是光(guang)纖(xian)的(de)限制(zhi)損耗(hao)特(te)性(xing)，限制(zhi)損耗(hao)與光(guang)纖(xian)的(de)有(you)效傳(chuan)輸距離密切相關，由圖(tu)可知(zhi)光(guang)纖(xian)的(de)限制(zhi)損耗(hao)在0.55-0.8THz區(qu)間(jian)。最(zui)。低(di)。可以(yi)達(da)到(dao)10^-15(dB/cm)量級(ji)。圖(tu)3(d)表示了OAM光(guang)纖(xian)的(de)低(di)平坦(tan)色散趨(qu)勢(shi)，在(zai)0.4-0.8THz區(qu)間(jian)有(you)近(jin)零(ling)的(de)波(bo)導(dao)色散參數，有(you)利(li)於太(tai)赫(he)茲(zi)波(bo)在(zai)光(guang)纖(xian)內(nei)部(bu)的(de)快(kuai)速傳輸。OAM模式(shi)的(de)高模(mo)式(shi)純度特(te)性(xing)表明(ming)了光(guang)纖(xian)可以(yi)有(you)效攜(xie)帶信息進(jin)行(xing)傳輸，由圖3(e)所示結(jie)果(guo)，在0.55-0.8THz區(qu)間(jian)光(guang)纖(xian)的(de)OAM模式(shi)純度均高於80%。圖(tu)3(f)是OAM光(guang)纖(xian)的(de)有(you)效模(mo)場(chang)面(mian)積特(te)性(xing)，壹(yi)般來(lai)說具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)有(you)效模(mo)場(chang)面(mian)積可以(yi)產(chan)生較(jiao)小(xiao)的(de)非線(xian)性(xing)特(te)性(xing)，可以(yi)進(jin)壹(yi)步提(ti)高信息的(de)傳輸質量。

圖(tu)3.(a)有(you)效模(mo)式(shi)折射(she)率(lv)，(b)有(you)效模(mo)式(shi)折射(she)率(lv)差(cha)異(yi)，(c)限制(zhi)損耗(hao)，(d)波(bo)導(dao)色散，(e)OAM模式(shi)純度，(f)有(you)效模(mo)場(chang)面(mian)積隨頻率(lv)的(de)變化(hua)趨(qu)勢(shi)