单芯多通道光涡旋长距离传输光纤关键制备技术

Optical vortex multiplexing is one potential technology to enhance the capacity of modern optical fiber communication system. The project aims to solve the main problems faced by the existing fiber communication system that cannot support the long-distance and stable transmission of optical vortex modes, by proposing the investigation on special optical fibers that can support the optical vortex modes with the information of photon orbital angular momentum (OAM). The project will adopt the special optical fibers that exhibit ring core with a graded-index distribution, develop the theory of the optical vortex modes supported in such special fiber, moreover, solve the problems of the design and fabrication of the special fibers. The main contents include: develop the optical vortex mode theory of the ring-core fiber with graded-index distribution; design the ring-core fiber with graded-index distribution in passive (without the dopant of rare-earth ions) as well as the active (erbium-doped) scheme; control precisely the distribution of graded-index profile in preform by combining the atomic layer deposition (ALD) and the modified chemical vapor deposition (MCVD) technologies; fabricate uniformly the special fibers by high-speed rotating preform technology, build the demonstration communication system with optical vortex multiplexing by using the proposed special fibers and all-fiber vortex amplifier. The expected results are believed to overcome the challenges of optical vortex modes in the long-distance, multichannel, and stable multiplexing transmission. Therefore, the technique proposed in the project could be one key technology to promote next-generation communication system.

光涡旋复用是未来提升光纤通信系统容量的重要途径，本项目针对现有通信光纤无法支持光涡旋模式长距离、稳定传输的难题，提出研制具有渐变折射率分布的环状芯特种光纤，用于传输携带光子轨道角动量的光涡旋模式，解决光涡旋特种光纤的模式理论、设计及制备技术中的关键科学及技术难题。主要研究内容包括：具有渐变折射率分布的环状单芯光涡旋光纤的模式理论，设计无源及掺铒有源光涡旋光纤结构；基于原子层沉积与改进化学气相沉积融合的渐变折射率分布光纤预制棒研制技术，着重解决精确调控渐变折射率分布的核心掺杂技术；基于高速旋转预制棒的均匀光涡旋光纤拉制技术；最终建立一套基于全光纤光涡旋中继放大的光涡旋模式复用光纤通信演示系统。预期成果有望从根本上解决光涡旋模式在光纤中的长距离、多通道、稳定复用传输的难题，成为支撑我国新一代光纤通信技术应用推广的核心基础。

光涡旋模式复用是未来提升光纤通信系统容量的重要途径，并在光纤激光、光纤传感、光学高分辨成像等领域具有重要应用前景。本项目面向光涡旋模式光纤通信、传感及激光等需求，对光涡旋传输光纤、掺铒光涡旋模式放大器、光涡旋模式器件研制中的关键科学技术问题开展研究，取得了如下成果：.建立了具有渐变折射率分布的环形芯光涡旋模式光纤模型，通过渐变参数优化增大了矢量光涡旋模式间有效折射率差值，提升了光涡旋模式传输稳定性。研究了环形芯光涡旋模式光纤制备工艺，拉制出渐变折射率环形芯光涡旋模式光纤，可支持三个阶次光涡旋模式稳定传输，有效折射率差大于10-4，结合圆偏振和光涡旋参量可以支持复用光涡旋模式12个，光纤总长>10 km。建立了掺铒环形芯有源光纤光涡旋模式放大模型，研制出掺铒环形芯光涡旋有源光纤，实现了三个阶次光涡旋模式的光放大，在C波段范围内增益>19.9 dB，饱和输出功率>14.5 dBm。基于光纤耦合模理论，构建了模式选择耦合器、声致光纤光栅等光涡旋模式耦合模型，设计并研制出全光纤光涡旋模式、矢量模式产生器件。基于环形芯光涡旋模式复用，结合正交频分复用，构建了高速光涡旋模式光纤通信系统，分析了5、10、20、40 Gbit/s等速率下光涡旋模式复用传输性能。基于模式选择耦合器，构建了全光纤光涡旋模式复用传输系统。此外，本项目在光涡旋模式传输光纤及耦合激发器件研制基础上，还拓展了光涡旋光纤的电流传感技术、矢量模式传感技术、光涡旋/矢量模式超快光纤激光器技术等研究工作。.本项目发表SCI期刊论文41篇，EI论文10篇，受邀在IEEE Journal of Lightwave Technology，Nanophotonics等期刊上发表综述论文；申请国家发明专利14项，其中授权8项；培养博士研究生6名、硕士研究生16名；2019年获上海市科技进步二等奖；构建了全新的光纤预制棒、光纤拉丝等工艺平台，有利支撑了本项目相关研究工作的开展；主办国际学术会议 3次。本项目在光涡旋模式光纤、器件及系统等方面成果，将为推动我国新一代光纤通信技术发展，以及新型光纤激光和光纤传感器的开发，提供核心支撑技术。