奇點光束在光纖通信中的基礎(chǔ)與應(yīng)用探討

陳帥 張春雲(yún) 張科

摘 要： 光纖通信為當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的通信方式，應(yīng)用效果已經(jīng)得到了證實。本文以光纖通信為例，對奇點光束在通信中應(yīng)用的基礎(chǔ)進(jìn)行了分析?；诖耍攸c從OAM光束以及CVB光束兩方面出發(fā)，闡述了光纖通信中奇點光束的應(yīng)用方案，最終證實了奇點光束在增加通信系統(tǒng)容量方面的重要價值，以期能夠為通信行業(yè)的有關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞： 奇點光束；光纖通信；OAM光束；CVB光束

前言：經(jīng)濟(jì)及社會的高速發(fā)展，使得人與人之間的聯(lián)系逐漸增強(qiáng)，使得用戶對通信質(zhì)量以及通信效率的明顯提高。作為通信技術(shù)的一種，光纖通信的出現(xiàn)，一定程度上提高了通信質(zhì)量，但用戶對通信效率的需求仍未得到滿足。在此環(huán)境下，擴(kuò)大通信系統(tǒng)的容量，逐漸成為了通信領(lǐng)域研究的重點。為達(dá)到上述目的，對奇點光束在光纖通信中的應(yīng)用價值加以評估，開始變得尤為必要。

1 奇點光束在光纖通信中的基礎(chǔ)

1.1 奇點光束的構(gòu)成

奇點光束是基于位相奇點的OAM光束，以及CVB光束的結(jié)合體，其中，OAM代表軌道角動量，CVB代表正交柱矢量。光學(xué)奇點，屬于奇點光束中的主要現(xiàn)象之一，由位相不確定，或偏振不確定所引起。受大氣擾動等因素的影響，奇點光束模式的純度一般較低。長此以往，串?dāng)_的問題則會產(chǎn)生。由奇點光束攜帶通信信號，使信號在通信系統(tǒng)中傳輸，畸變的風(fēng)險一般較高[1]。一旦發(fā)現(xiàn)信號畸變，解調(diào)端將無法解調(diào)信號。光纖通信需依賴光纖而實現(xiàn)，光纖的存在，可為奇點光束的穩(wěn)定傳輸提供條件?？梢姡缒軌?qū)⑵纥c光束與光纖通信，共同應(yīng)用到通信過程中，使兩者的優(yōu)勢得到共同的發(fā)揮。擴(kuò)大通信系統(tǒng)容量的目的，將有可能實現(xiàn)。

1.2 奇點光束在光纖通信中應(yīng)用的可行性分析

作為奇點光束的兩大組成部分，OAM與CVB光束是否能夠與光纖通信相結(jié)合，是決定光纖通信系統(tǒng)的容量能否擴(kuò)大的主要因素[2]。研究表明，在較長的距離中，將2路同軸的OAM光束，共同應(yīng)用到環(huán)帶形渦旋光纖中，可使光纖通信容量，達(dá)到1.6Tb/s[1]。表明，OAM與光纖通信相結(jié)合的理念，存在實現(xiàn)的可能。CVB光束，為基于偏振奇點的正交柱矢量模式。當(dāng)CVB光束中，某一正交性被破壞時，其余的正交性，仍可繼續(xù)保持。光纖通信所依靠的光纖本征矢量模式，既CVB模式?？梢?，將CVB與光纖通信相結(jié)合的理念，同樣存在實現(xiàn)的可能。

2 奇點光束在光纖通信中的應(yīng)用

2.1 OAM光束的應(yīng)用

2.1.1 光纖的波動

光纖通信過程中，光纖波導(dǎo)的模式，既光纖在空間電磁場中的分布模式。為了解光纖的波動情況，采用Maxwell方程對光纖波導(dǎo)進(jìn)行求解即可?！澳Ｊ健?，屬于光纖屬性的一種，多由光纖的材質(zhì)，以及幾何參數(shù)所決定。將上述參數(shù)，納入到Maxwell方程中所得到的計算結(jié)果，既可反映出光纖的波動特征。光纖中，電磁波的傳播方向，包括橫向與縱向兩種。橫向的電磁波，又稱“行波”，縱向的電磁波，則成為“駐波”。為進(jìn)一步提高光纖波動計算結(jié)果的準(zhǔn)確度，有關(guān)人員可采用行波與駐波對電磁波的分布情況進(jìn)行進(jìn)一步的計算。

2.1.2 光纖中的OAM

如采用△neff代表光纖中本征矢量模式的有效折射率，則當(dāng)△neff>1.8×104時，各矢量模式之間的耦合，必然會在光纖中被抑制。如能夠從外界，施加相應(yīng)的刺激，矢量模式在光纖中的穩(wěn)定性，將能夠有所提升。研究發(fā)現(xiàn)，在光纖模式中，與低階模式相比，高階模式中的有效折射率數(shù)值通常較大。如能夠使數(shù)據(jù)及信息在高階模式中傳播，通信的穩(wěn)定性將明顯提升。因此，可將△neff>1.8×104作為參考值，對OAM模式的有效折射率進(jìn)行優(yōu)化控制。

2.1.3 數(shù)據(jù)傳輸路徑

光纖纖芯的周圍，存在柚子型氣孔。這一氣孔的存在，會導(dǎo)致本征適量模式之間的有效折射率差值變大，進(jìn)而導(dǎo)致通信的穩(wěn)定性降低。對此，有關(guān)人員可采用FEM模式計算的方式，對有效折射率進(jìn)行計算，并將其控制在1.8×104以上。以達(dá)到減弱模式間的相互耦合，提高OAM模式在光纖中的傳輸性能的目的。此時，將奇點光束應(yīng)用到光纖通信中，使之成為信息的載體，用于承載通信數(shù)據(jù)，則能夠有效提高光纖通信系統(tǒng)的容量，提高通信質(zhì)量。

2.2 CVB光束的應(yīng)用

2.2.1 光纖中的CVB

奇點光束中，CVB光束在少模光纖（FMF）中的傳輸性，是決定奇點光束能否被應(yīng)用到光纖通信中承載通信數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。為分析少模光纖中矢量模式的傳輸性能，僅需將Helmholtz方程應(yīng)用到計算過程中即可。階躍型FMF，屬于FMF的一種。將左旋波以及右旋波等指標(biāo)，納入到電磁場方程中，采用2π代表傳輸周期的變化特點，既可計算出邊界條件下的特定電磁場分布情況。根據(jù)電磁場的分布結(jié)果，以及Helmholtz方程計算結(jié)果，對CVB光束的傳輸路徑進(jìn)行計算，可有效提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸路徑

在波長為1550nm時，少模光纖能夠支持TM、TE等多種傳輸模式。且可支持±1階以及±2階的CVB光束傳輸。有關(guān)人員可根據(jù)少模光纖，計算出光纖通信所能夠支持的矢量模式。同時，對不同波長下，各矢量模式的有效折射率進(jìn)行分析，以評估出光纖通信中CVB光束的傳輸性能與傳輸路徑。將CVB光束進(jìn)行解調(diào)，并對其純度進(jìn)行分析，既能夠計算出將CVB應(yīng)用到光纖通信中，在擴(kuò)大通信系統(tǒng)容量方面的價值。

結(jié)論：

綜上所述，奇點光束中的OAM光束，以及CVB光束，本身既能夠承載一定的信息。將其應(yīng)用到光纖通信中，能夠使通信系統(tǒng)的容量，得到進(jìn)一步的擴(kuò)充。目前，通信領(lǐng)域?qū)υ摷夹g(shù)的研究，仍處于實驗階段。未來，有關(guān)人員可從實踐的角度入手，進(jìn)一步對奇點光束在光纖通信中的應(yīng)用價值進(jìn)行評估。以為通信容量的進(jìn)一步擴(kuò)大，以及通信質(zhì)量的進(jìn)一步提升奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]王慧，丁攀峰，蒲繼雄.橢圓高斯光束基于螺旋相位板產(chǎn)生奇點光束的特性研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2016，53（10）：244-249.

[2]王遠(yuǎn)敏.基于數(shù)據(jù)挖掘的大規(guī)模光纖通信網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測與分析[J].激光雜志，2016，37（03）：115-118.