中國計量大學嚴德賢課題組：基于太赫茲波段的負曲率軌道角動量光纖

隨著通信技術的快速發展，近些年的通信容量實現了快速增長，傳統的光纖通信網絡已經難以滿足當前高速通信的需求。增大通信網絡的容量和提高通信速度的一種方法是開發太赫茲(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對點的網絡拓撲結構而備受關注。而在空間維度資源中，基于軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的模分復用技術由于攜帶不同拓樸荷數的相互正交的軌道角動量模式成為擴大通信容量的一種非常有潛力的方案。軌道角動量具有全新的電磁波自由度特性，具有軌道角動量特性的電磁波可以在常用的信息傳輸方式，如波分復用（Wave Division Multiplexing，WDM）、偏振復用（Polarization Multiplexin，PM）、時分復用（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，中國計量大學嚴德賢課題組提出了基于太赫茲波段的負曲率軌道角動量光纖。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構設計，通過引入環芯區域在0.4-0.8THz波段成功產生50-52個OAM模式，且在所研究的波段內獲得了高模式純度、低限制損耗和低波導色散等傳輸特性，相關研究成果以“Design of negative curvature fiber carrying multiorbital angular momentum modes for terahertz wave transmission"為題發表在《Results in Physics》。

圖1.3D打印負曲率軌道角動量光纖結構圖

圖1展示了基于摩方精密nanoArch S140打印技術的3D打印光纖樣品圖。光纖整體尺寸為6.57mm，靠近纖芯區域的第二層傾斜橢圓管結構最小尺寸為0.051mm。光纖結構設計完成后，在Comsol Multiphysics有限元仿真軟件中選取光纖結構的任一截面進行仿真研究。在研究頻段內給定相應的太赫茲頻率后，可以獲得相應的模場分布，針對相應的模式進行數據收集和處理可以得出所需傳輸特性。

在光纖中產生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模式合成規則可由公式1表述：

                 (1)

根據公式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，和在模式合成后環芯區域有效產生OAM模式的模場分布，并獲得[-?-?]的相位分布效果，滿足在光纖中產生OAM模式的合成規則。

圖3是OAM光纖各種傳輸特性隨頻率的變化趨勢。由圖3(a)和(b)可知，光纖產生的所有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，由圖可知光纖的限制損耗在0.55-0.8THz區可以達到10^-15(dB/cm)量級。圖3(d)表示了OAM光纖的低平坦色散趨勢，在0.4-0.8THz區間有近零的波導色散參數，有利于太赫茲波在光纖內部的快速傳輸。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行傳輸，由圖3(e)所示結果，在0.55-0.8THz區間光纖的OAM模式純度均高于80%。圖3(f)是OAM光纖的有效模場面積特性，一般來說具有較高的有效模場面積可以產生較小的非線性特性，可以進一步提高信息的傳輸質量。

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)波導色散，(e)OAM模式純度，(f)有效模場面積隨頻率的變化趨勢

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