支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤的制作方法

1.本发明涉及太赫兹光纤领域，尤其涉及一种支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤。


背景技术：

2.随着光纤通信系统在现代通信网络中的飞速发展，数据传输速度、容量、保密性等要求越来越高，传统波分复用和时分复用技术面临更多的困境。为了解决上述一系列问题，轨道角动量复用技术作为一种新的复用形式，为增加网络带宽、通信容量和通信速率，提供了一种新的方案。因此轨道角动量复用技术在光纤通信中的运用逐渐成为现今社会研究的热点。
3.由于产生并传输轨道角动量模式对光纤结构具有严格要求，普通的光纤有效折射率差一般较小，无法产生并支持轨道角动量模式的传输。经过研究发现在光纤内部中引入环形结构可以与包层之间产生较高的折射率差，从而可以有效产生轨道角动量模式并实现稳定传输。同时，中心环形纤芯可以分离本征矢量模间的有效折射率并且抑制径向高阶模式，促进了轨道角动量模式在模分复用技术中的应用。


技术实现要素：

4.本发明为了克服现有技术不足，提出了一种支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其目的在于通过引入环形结构，增加了环形区域与包层管区域的折射率差异，从而支持并生成传输性能高的多轨道角动量模式。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其包括聚合物包覆层、外椭圆形包层管、环形包层管、内椭圆形包层管和纤芯；在太赫兹光纤的圆形横截面中，12个倾斜角为0
°
～15
°
的外椭圆形包层管按间隔30
°
环形等间距排列于环形包层管的外侧面，组成外椭圆形包层管区域，同时18个倾斜角为0
°
～15
°
的内椭圆形包层管按间隔20
°
环形等间距排列于环形包层管的内侧面，组成内椭圆形包层管区域；12个外椭圆形包层管和18个内椭圆形包层管分别以外周相切形式贴合于环形包层管的外侧面和内侧面，构成负曲率包层结构，且所有外椭圆形包层管和内椭圆形包层管均朝向同一个旋向倾斜；所述纤芯位于内椭圆形包层管区域的内部；所述聚合物包覆层作为光纤的外包层，包覆在外椭圆形包层管区域外侧；太赫兹波从纤芯输入，经过负曲率包层结构的相互作用产生折射率差，从而在环形包层管中产生多个波导通道，将太赫兹波有效束缚在环形包层管内，实现在轨道角动量模式下的传输功能。
7.上述技术方案可采用如下优选方式：
8.作为优选，所述的外椭圆形包层管长轴为1.542mm，短轴为0.8mm，壁厚为0.1mm。
9.作为优选，所述的内椭圆形包层管长轴为0.306mm，短轴为0.2mm，长轴方向壁厚为0.053mm，短轴方向壁厚为0.047mm。
10.作为优选，所述的环形包层管内直径为2.214～2.3mm，外直径为2.916～3.002mm。
11.作为优选，所述的纤芯直径为1.602～1.702mm。
12.作为优选，所述的聚合物包覆层、外椭圆包层管、环形包层管和内椭圆包层管所使用的材料均为同一种聚合物材料。
13.进一步的，所述的聚合物材料为有机硅树脂。
14.进一步的，所述的聚合物材料折射率为1.72。
15.相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：
16.1.本发明结构设计简单，并首次在太赫兹频段提出了支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤。
17.2.本发明在工作频段传输性能优异，材料单一，制作效率高。
18.3.本发明的光纤结构中，所设计的环形包层管结构分别与外椭圆形包层管和内椭圆形包层管形成较大的折射率差，从而生成具有较高纯度的轨道角动量(oam)模式。由于不同轨道角动量模式间具有相互正交的特性并且轨道角动量模式取值具有无穷性，因此环形区域在通信时会形成多个通道。利用外椭圆形包层管和内椭圆形包层管的双重耦合作用，太赫兹波可以被限制在环形包层管区域中，降低了限制损耗，其多轨道角动量模式增加了通信的容量。
附图说明
19.图1是支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤的结构示意图；
20.图2是支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤的环形包层管和内外两层椭圆管相互连接的结构示意图；
21.图3是支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤在不同拓朴荷数下的he和eh模式的折射率差曲线图；
22.图4是支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤的限制损耗曲线图。
具体实施方式
23.为了使本发明的技术方案，优点以及目的更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
24.如图1～2所示，本发明的一个实施例中提供了一种支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，它包括聚合物包覆层1、外椭圆形包层管2、环形包层管3、内椭圆形包层管4和纤芯5。由于光纤为连续的线型，因此以其横截面说明光纤结构。图1为太赫兹光纤的横截面，该横截面的外轮廓为圆形。因此在太赫兹光纤的圆形横截面中，12个倾斜角θ为0
°
～15
°
的外椭圆形包层管2按间隔30
°
环形等间距排列于环形包层管3的外侧面，组成外椭圆形包层管区域，同时18个倾斜角θ’为0
°
～15
°
的内椭圆形包层管4按间隔20
°
环形等间距排列于环形包层管3的内侧面，组成内椭圆形包层管区域；12个外椭圆形包层管2和18个内椭圆形包层管4分别以外周相切形式贴合于环形包层管3的外侧面和内侧面，如图2所示。而且所有外椭圆形包层管2和内椭圆形包层管4均朝向同一个旋向倾斜，图1中均朝向顺时针方向倾斜。12个外椭圆形包层管2和18个内椭圆形包层管4构成了本发明的负曲率包层结构。另外，纤芯5位于内椭圆形包层管区域的内部，18个内椭圆形包层管4贴合纤芯5外侧面。聚合
物包覆层1作为光纤的外包层，包覆在外椭圆形包层管区域外侧。
25.该负曲率太赫兹光纤工作时，太赫兹波从纤芯5输入，经过负曲率包层结构的相互作用产生折射率差，从而在环形包层管3中产生多个波导通道，将太赫兹波有效束缚在环形包层管3内，实现在轨道角动量模式下的传输功能。
26.需要说明的是，每一个外椭圆形包层管2的倾斜角θ是由未倾斜状态下的椭圆长轴与倾斜状态下的椭圆长轴夹角来定义的，未倾斜状态下的椭圆长轴与整个太赫兹光纤的圆形横截面一条半径重合，参见图1所示。也就是说，假如定义一个外椭圆形包层管2的圆心与太赫兹光纤的圆形横截面圆心o的连线为连线a，那么该外椭圆形包层管2的倾斜角θ等价于连线a与椭圆长轴的夹角。另外，12个外椭圆形包层管2之间的30
°
间隔是指相邻两个外椭圆形包层管2的连线a之间的夹角为30
°
，即将一个外椭圆形包层管2绕圆形横截面圆心o旋转30
°
复制得到下一个外椭圆形包层管2，旋转复制操作11次即可得到外椭圆形包层管区域。
27.同样的，每一个内椭圆形包层管4的倾斜角θ’也是由未倾斜状态下的椭圆长轴与倾斜状态下的椭圆长轴夹角来定义的，未倾斜状态下的椭圆长轴与整个太赫兹光纤的圆形横截面一条半径重合。也就是说，假如定义一个内椭圆形包层管4的圆心与太赫兹光纤的圆形横截面圆心o的连线为连线b，那么该内椭圆形包层管4的倾斜角θ’等价于连线b与椭圆长轴的夹角。另外，18个内椭圆形包层管4之间的20
°
间隔是指相邻两个内椭圆形包层管4的连线b之间的夹角为20
°
，即将一个内椭圆形包层管4绕圆形横截面圆心o旋转20
°
复制得到下一个内椭圆形包层管4，旋转复制操作17次即可得到内椭圆形包层管区域。
28.上述太赫兹波导结构中，各结构组成部分的设计参数和材质可选择如下：
29.外椭圆形包层管2长轴为1.542mm，短轴为0.8mm，壁厚t1为0.1mm。内椭圆形包层管4长轴为0.306mm，短轴为0.2mm，长轴方向壁厚t2为0.053mm，短轴方向壁厚t3为0.047mm。环形包层管3内直径为2.214～2.3mm，外直径为2.916～3.002mm。纤芯5直径为1.602～1.702mm。聚合物包覆层1、外椭圆包层管2、环形包层管3和内椭圆包层管4所使用的材料均为同一种聚合物材料，该聚合物材料为耐高温的有机硅树脂材料，而且该聚合物材料折射率为1.72。
30.整个太赫兹波导结构通过3d打印技术加工制作，本发明具有传输性能高，损耗低，通信容量大等优点。下面基于该支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤结构，通过实施例说明其具体技术效果。
31.实施例1
32.本实施例中，基于支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤结构的各部件形状如上所述，即图1和图2，因此不再赘述。但各结构组成部分的设计参数和材质如下：
33.外椭圆形包层管长轴为1.542mm，短轴为0.8mm，管壁厚度t1为0.1mm。环形包层管的内直径为2.3mm，外直径为3.002mm。内椭圆形包层管的长轴为0.306mm，短轴为0.2mm，长轴方向管壁厚度t2为0.053mm，短轴方向管壁厚度t3为0.047mm。波导纤芯的直径为1.702mm。
34.聚合物包覆层、外椭圆包层管、环形包层管和内椭圆包层管所使用的材料均为同一种聚合物材料即耐高温树脂(有机硅树脂htl)，其折射率为1.72。本实施例的波导结构可通过现有的3d打印技术加工制造。在工作状态下，特定频率的太赫兹波从纤芯区域输入，在内外两层椭圆形管的相互作用下，特定频率的太赫兹波被有效束缚在环形包层管中。
35.表1详细说明了设计地轨道角动量负曲率太赫兹光纤支持的52种轨道角动量模
式。
36.表1负曲率光纤支持的所有轨道角动量模式
[0037][0038]
如图3所示，本实施例中提供的基于支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，在不同轨道角动量模式下，模式间的折射率差均高于1
×
10
‑4，有效抑制了线性偏振模的产生，说明该结构可以有效产生轨道角动量模式。
[0039]
如图4所示，本实施例中提供的基于支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，在0.55～0.8thz频段下产生的限制损耗稳定在10
‑
14
～10
‑
11
db/cm(量级)区间。这表明本发明利用椭圆形管的反谐振作用，大大降低了太赫兹光纤的限制损耗。
[0040]
尽管在此结合实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
[0041]
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，可对其进行各种修改和组合。相应地，本书明书和附图仅仅是所附权利要求书所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些修改和变型在内。

技术特征：
1.一种支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其特征在于，包括聚合物包覆层(1)、外椭圆形包层管(2)、环形包层管(3)、内椭圆形包层管(4)和纤芯(5)；在太赫兹光纤的圆形横截面中，12个倾斜角为0
°
～15
°
的外椭圆形包层管(2)按间隔30
°
环形等间距排列于环形包层管(3)的外侧面，组成外椭圆形包层管区域，同时18个倾斜角为0
°
～15
°
的内椭圆形包层管(4)按间隔20
°
环形等间距排列于环形包层管(3)的内侧面，组成内椭圆形包层管区域；12个外椭圆形包层管(2)和18个内椭圆形包层管(4)分别以外周相切形式贴合于环形包层管(3)的外侧面和内侧面，构成负曲率包层结构，且所有外椭圆形包层管(2)和内椭圆形包层管(4)均朝向同一个旋向倾斜；所述纤芯(5)位于内椭圆形包层管区域的内部；所述聚合物包覆层(1)作为光纤的外包层，包覆在外椭圆形包层管区域外侧；太赫兹波从纤芯(5)输入，经过负曲率包层结构的相互作用产生折射率差，从而在环形包层管(3)中产生多个波导通道，将太赫兹波有效束缚在环形包层管(3)内，实现在轨道角动量模式下的传输功能。2.根据权利要求1所述的支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其特征在于，所述的外椭圆形包层管(2)长轴为1.542mm，短轴为0.8mm，壁厚为0.1mm。3.根据权利要求1所述的支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其特征在于，所述的内椭圆形包层管(4)长轴为0.306mm，短轴为0.2mm，长轴方向壁厚为0.053mm，短轴方向壁厚为0.047mm。4.根据权利要求1所述的支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其特征在于，所述的环形包层管(3)内直径为2.214～2.3mm，外直径为2.916～3.002mm。5.根据权利要求1所述的支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其特征在于，所述的纤芯(5)直径为1.602～1.702mm。6.根据权利要求1所述的支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其特征在于，所述的聚合物包覆层(1)、外椭圆包层管(2)、环形包层管(3)和内椭圆包层管(4)所使用的材料均为同一种聚合物材料。7.根据权利要求6所述的支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其特征在于，所述的聚合物材料为有机硅树脂。8.根据权利要求6所述的支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，其特征在于，所述的聚合物材料折射率为1.72。
技术总结
本发明公开了一种支持52种轨道角动量模式的负曲率太赫兹光纤，它包括聚合物包覆层、外椭圆形包层管区域、环形包层管、内椭圆形包层管区域、纤芯区域。外椭圆形包层管区域由12个环形排列的聚合物单元结构组成；内椭圆形包层管区域由18个环形排列的聚合物单元结构组成；内椭圆形包层单元结构和外椭圆形包层单元结构分别与环形包层管单元结构相互接连构成光纤结构的包层管区域。本发明可以生成具有较高纯度的轨道角动量(OAM)模式，可在环形区域在通信时会形成多个通道。本发明将轨道角动量复用技术应用于太赫兹波通信中，在提高通信系统的信道容量的同时使信息在传输过程中具有更高的安全性，且具有损耗低，通信容量大等优点。点。点。


技术研发人员：严德贤 袁紫微 孟淼 封覃银 李向军
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29