蒙增强
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摘要：进入二十一世纪以来，大数据时代的飞速发展给光通信系统带来了巨大的压力和挑战，高速大容量光通信成为发展的必然趋势。随着光波传统物理维度资源的开发利用趋于极限，基于横向空间维度的涡旋模式复用技术在提升传输容量方面备受瞩目。除了各种特殊设计的环形结构光纤外，广泛铺设的传统光纤也能够支撑涡旋模式复用通信。该文回顾了传统光纤中涡旋光复用通信的研究进展，首先介绍了光纤中不同模式基的特征和用于传统光纤模分复用传输的性能，其次重点介绍了传统单模光纤和多模光纤中支持涡旋模式的特性，随后详述了基于传统多模光纤的涡旋光复用通信以及利用其他模式基复用通信的研究进展，最后进行了展望和总结。
关键词：光通信；传统光纤；涡旋模式；模分复用
引言
随着现代通信的发展,人们对传输信息的技术要求越来越高。近年来,光纤通信技术凭借传递信息量大、速度快的优点,得到了越来越多的科研工作者的关注.在光纤中,涡旋光(VB)模式传输与现在常用的线偏振(LP)模式传输不同,每一个传播常数携带两个正交的轨道角动量模式,极大地提高了通信信道容量和频谱效率.又由于光子晶体光纤其结构设计灵活、制作方便,具有单模传输、大模场面积、损耗低、非线性、双折射和色散可调节等特性,与普通光纤相比较有着很大的差别,因此利用光子晶体光纤传输涡旋光可以有效控制涡旋光的传输特性,并且对光通信领域在提高信息传输效率等方面具有重要意义。涡旋光是一种光束中心位置存在相位奇点,并且奇点处光强为零的光,光波相位围绕该奇点沿垂直于传播方向呈螺旋状分布,具有轨道角动量.1989年,首次提出“光学涡旋”;1992年,首次发现涡旋光孤子。目前,在空间中产生涡旋光的方法有很多,如利用厄米-高斯光束(H-G光束)通过螺旋相位板、液晶空间光调制器、超材料或衍射相位全息片,可以得到空间涡旋光,若将涡旋光应用于光纤中,则会遇到涡旋光模式的有效分离和稳定传输等困难,因此不能很好地应用于光纤通信领域。
1光纤模式的基础理论
光波在光纤中传输时，横向光场受限为驻波分布，只有满足特定共振条件的光束形式才能在光纤中稳定传输，这些稳定存在的光束一般也称为本征模式。光纤中支持的所有本征模式可以构成一组正交基，其他任何允许稳定存在的光场如LP模式或涡旋模式都是这组正交基的线性叠加，因此LP模式或涡旋模式也能够构成一组完备正交基。然而，这3种模式基的传播常数以及强度、相位和偏振等分布特征各不相同，其用于光纤模分复用传输的性能也不同。
2传统光纤中涡旋模式特性理论研究
2.1标准单模光纤中可见光涡旋模式
传统G.652单模光纤的纤芯和包层半径分别为4.2μm和62.5μm，纤芯折射率为阶跃型分布，纤芯和包层间的相对折射率差为0.277%.图1(a)给出了传统单模光纤中支持的导模数目随波长的变化情况。在红（632.8nm）、绿（532.0nm）、蓝（476.5nm）3个典型的可见光波长下，光纤分别支持12、20、24个模式.根据不同模式间有效折射率差的大小，可以将模式分为不同模群.不同模群间有效折射率差不小于10?4，对应模群间弱耦合。在红、绿、蓝3个波长下光纤支持的模群数目分别为4、6、7，每个模群中对应的涡旋模式依次为OAM0,1、OAM1,1、OAM2,1、OAM0,2、OAM3,1、OAM1,2、OAM4,1。图1(b)展示了20世纪80年代初期、后期和现当代石英光纤的衰减随波长的变化关系。通过软件拟合得到了在红、绿、蓝波长下的光纤衰减分别约为6.8dB/km、11.4dB/km、14.5dB/km.当传输长度为100m和500m时，在3个波长下的光纤传输损耗分别不超过1.5dB和7.3dB。因此，尽管传统单模光纤在可见光波段的损耗较大，仍然可以满足百米级短距离涡旋模式应用的需求。
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图1传统单模光纤在不同波长下支持导模数目和衰减
图2展示了椭圆扰动导致的涡旋模式耦合串扰。当椭圆率为0.1%时，在红、绿、蓝3个波长下HE21合成的1阶涡旋模式引起的耦合串扰全部集中在同一个模群内部，且串扰值分别不超过?7.5dB、?7.9dB、?8.0dB；而最高阶涡旋模式对光纤中支持的其他所有模式造成的串扰全部小于?40dB.随着椭圆率的逐渐增大，模式耦合串扰也会增大。当椭圆率为0.5%时，在红、绿、蓝3个波长下光纤支持的最低阶和最高阶涡旋模式给其他模式带来的耦合串扰分别不超过?3.2dB和?27.8dB、?3.0dB和?38.9dB、?2.8dB和?40dB.可以发现，在红、绿、蓝3个波长下1阶涡旋模式只对同一个模群中的其他模式造成串扰，而在不同模群间几乎不存在串扰；高阶涡旋模式尽管会串到其他模群中，但串扰值非常小.类似地，在弯曲扰动下最低阶涡旋模式造成的同一个模群内部串扰比较大而不同模群间串扰较小，高阶涡旋模式也会串到其他模群中，但串扰值很小。因此，可以基于传统单模光纤实现短距离可见光涡旋模群间低串扰复用通信。
图2椭圆扰动导致的涡旋模式耦合串扰
2.2光纤中OAM模式的产生
在光纤中产生OAM模式的方法主要有三种：相位匹配耦合元件法(横向)、光纤光栅法(纵向)和光纤耦合器(横向和纵向)耦合法。相位匹配耦合元件法是目前光纤OAM模式复用实验中最常用的方法，就是预先产生所需高阶模式的相位分布图形，然后利用光学耦合元件直接把光耦合进光纤中。基于光纤光栅的OAM模式的产生方法，具有系统简单、无需严格的空间耦合、效率高等优点，是目前研究的一大热点。光纤耦合器耦合法也是一种能够产生OAM模式的方法。当单模光纤中基模的传播常数与少模光纤中某一角向高阶模式传播常数相同时，两者之间会产生强烈的能量转换，产生耦合，耦合模场的分布情况与两根光纤的相对位置、拉制参数有关。
一般来讲，利用光纤光栅进行模式耦合产生OAM模式的方法具有显著优势。但目前大多数研究报道主要集中在一阶OAM模式的产生上，而二阶及更高阶光纤OAM模式产生方面的报道则相对较少。提出了级联的方法，利用二氧化碳激光器刻写两根长周期光纤光栅，分别用来将基模耦合到一阶OAM模式上和将一阶OAM模式耦合到二阶模式上，通过分步的方法来实现基模向高阶OAM模式的耦合。以下简要介绍利用光纤实现高阶OAM模式的产生。
结语
本文对传统光纤中涡旋光复用通信的理论基础和研究进展进行了简要综述。针对模分复用技术在解决通信容量危机方面的显著优势以及各种模分复用光纤和不同正交模式基的特点，重点介绍了商业光纤通信系统广泛应用的传统单模光纤和多模光纤中涡旋模式的特性及其支撑涡旋模式复用通信的可行性和潜力。在此基础上，简要回顾了基于传统多模光纤的涡旋模式通信研究进展，包括传统多模光纤中涡旋模群低串扰复用通信以及模群间低串扰复用结合模群内局部MIMO-DSP辅助复用通信。此外，还对比了在传统多模光纤中进行其他模式基复用通信的研究进展。最后，对传统光纤中涡旋光复用通信的应用前景和发展趋势进行了展望。传统光纤省去了工艺和铺设成本，面向特定短距离大容量的应用场景具有独特优势，但还存在许多技术难点值得进一步深入研究。
参考文献
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