本發(fā)明屬于光纖通信領域，更具體地，涉及一種漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖。
背景技術：
1、在追求提升光通信容量的過程中，人們在探索波長、頻率和相位復用技術方面付出了巨大努力。在過去十年里，研究人員試圖通過空分復用進一步拓展光纖通信能力?？辗謴陀猛ㄟ^增加單根光纖中可用的數據傳輸路徑數量來提高通信容量，包括兩種方式：芯分復用和模分復用。盡管芯分復用已經取得了重大進展，但其容量和纖芯數量都逐漸趨于飽和。模分復用理論上可以通過利用具有多個重疊空間的正交態(tài)實現(xiàn)無限數量模式的傳輸，其中基于軌道角動量模式的模分復用已得到廣泛研究。研究人員提出了許多支持軌道角動量模式傳輸的多模光纖結構，包括空芯光纖、光子晶體光纖和環(huán)芯光纖。然而，具有相同有效折射率的兩種模式會發(fā)生模式耦合，這將影響模式傳輸的穩(wěn)定性。這個問題可以通過增大兩種模式之間的有效折射率差來解決。此外，模式耦合問題也可以通過多輸入多輸出數字信號處理有效解決。然而，當涉及更多模式和更大的模式間時延差時，模式耦合和信號處理的復雜性會顯著增加。
2、2023年，波士頓大學的zelin?ma發(fā)現(xiàn)了一種超越傳統(tǒng)截止的新型光導機制—拓撲約束機制，并驗證了這些模式在波長為1550nm處的實際效用。該機制在無需使用多輸入多輸出數字信號處理技術的情況下，支持階躍折射率分布環(huán)芯光纖中多種軌道角動量截止模式的低損耗傳輸，且模式耦合意外地自然降低，這些模式也被稱為拓撲約束模式。但該種折射率光纖中存在有效模式面積劣化的問題，這對增加非線性電阻提出了挑戰(zhàn)，仍有改進空間。
技術實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，旨在解決階躍折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖中的有效模式劣化問題。
2、為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案如下：
3、本發(fā)明提供了一種漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，包括中心區(qū)域，環(huán)形纖芯和包層區(qū)域，環(huán)形纖芯區(qū)域為漸變折射率分布，中心區(qū)域和包層區(qū)域具有相同的折射率，環(huán)形纖芯的折射率大于中心和包層區(qū)域的折射率。
4、進一步，漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖的折射率分布可以表示為：
5、
6、其中nco是纖芯最大折射率，ncl是中心區(qū)域和包層區(qū)域的折射率，r1為內環(huán)半徑，r2為外環(huán)半徑，是相對折射率差。
7、進一步，所述環(huán)形纖芯的外環(huán)半徑范圍為25-35μm，內環(huán)半徑范圍為5-15μm，纖芯最大折射率與包層區(qū)域的折射率差不低于0.04。
8、進一步，所述漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖中的模式基為光渦旋模式。
9、進一步，中心區(qū)域和包層區(qū)域的材料為摻氟二氧化硅，環(huán)形纖芯區(qū)域的材料為氟摻雜濃度和鍺摻雜濃度漸變的摻鍺二氧化硅、摻氟二氧化硅材料的組合。
10、進一步，所述漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖支持多個無模式耦合的截止軌道角動量模式。
11、進一步，所述漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖中的截止自旋軌道對齊模式和自旋軌道反對齊模式的有效折射率差均＞10-4。
12、進一步，所述漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖中的截止軌道角動量模式，其限制損耗幾乎忽略不計。
13、進一步的，所述漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖中的截止軌道角動量模式，其有效模式面積呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢。
14、總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得下列有益效果：
15、(1)本發(fā)明提出了一種新型的漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，通過設計環(huán)形纖芯區(qū)域為漸變折射率分布，有效解決了階躍折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖中的有效模式劣化問題，從而在降低非線性方面表現(xiàn)出更好的性能，在1550nm處支持多個截止軌道角動量模式的低損耗傳輸。
16、(2)本發(fā)明提供的漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖能夠有效抑制截止自旋軌道對齊模式和自旋軌道反對齊模式之間的模式耦合，它們的有效折射率差均＞10-4。
1.一種漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，其特征在于，自內向外依次包括中心區(qū)域、環(huán)形纖芯區(qū)域和包層區(qū)域，環(huán)形纖芯區(qū)域為漸變折射率分布，所述中心區(qū)域和包層區(qū)域具有相同的折射率，環(huán)形纖芯的折射率大于中心區(qū)域和包層區(qū)域的折射率。
2.根據權利要求1所述的漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，其特征在于，所述光纖的折射率分布表達式為：
3.根據權利要求2所述的漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，其特征在于，所述環(huán)形纖芯的外環(huán)半徑范圍為25-35μm，內環(huán)半徑范圍為5-15μm。
4.根據權利要求2所述的漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，其特征在于，所述環(huán)形纖芯的最大折射率與包層區(qū)域的折射率差不低于0.04。
5.根據權利要求1所述的漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，其特征在于，模式基為截止光渦旋模式。
6.根據權利要求1或5所述的漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，其特征在于，所述中心區(qū)域和包層區(qū)域的材料為摻氟二氧化硅，環(huán)形纖芯區(qū)域的材料為氟摻雜濃度和鍺摻雜濃度漸變的摻鍺二氧化硅、摻氟二氧化硅材料的組合。
7.根據權利要求5所述的漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，其特征在于，所述光纖支持多個無模式耦合的截止光渦旋模式，所述光纖中截止自旋軌道對齊模式和截止自旋軌道反對齊模式的有效折射率均＞10-4。
8.根據權利要求5所述的漸變折射率分布拓撲約束環(huán)芯光纖，其特征在于，所述光纖中模式的有效面積隨著拓撲荷數的增加呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢。