本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种低串扰轨道角动量传输光纤及其制造方法。
背景技术：
随着世界各地网络运营服务的不断渗透，全球网络流量保持了每年30-60％的增长速度。依赖于物联网和云计算的新应用、大型数据中心的出现可能会进一步加速这一增长过程。根据目前的发展速度，整个网络的容量将在未来十年至少提升100倍，而同期常规单模光纤通信系统容量的提升将会落后网络流量增速一个数量级。如何可持续提高通信系统容量，以应对不断增长的容量需求，已成为了光通信亟待解决的关键问题。
但随着接近非线性香农极限的单模光纤100-tbit/s光纤传输容量的实现，留给现有技术进一步提升通信容量的空间已经越来越少了。为了进一步可持续性提高通信容量和频谱效率，势必需要寻找新的途径，这需要回归到光波最基本的维度资源上来。因此近年来基于轨道角动量(oam：orbitalangularmomentum)模式的空分复用技术在国内外引起了广泛关注。
光子轨道角动量还具有一个很重要的特性：具有不同阶数l的光子轨道角动量是正交的，并且l的取值在理论上可以是(－∞,+∞)内的任意整数值。类似在光通信发展过程中获得重大成功的波分复用(不同波长取值多样且正交)技术，不同光子轨道角动量的取值多样性及其正交性使得光子轨道角动量也可以应用于复用技术，即光子轨道角动量模式复用。通过复用携带不同信息的多个光子轨道角动量模式共轴传输，也可以为光通信系统的可持续性扩容提供新途径。
但由于轨道角动量模式特殊性，传统的单模光纤和多模光纤会导致模式串扰，无法支持光子轨道角动量模式长距离传输。因此光子轨道角动量光纤通信迫切需要新型光纤，特别是可以支持多个通道光子轨道角动量模式传输的低串扰、低损耗光纤。
中国专利“一种用于轨道角动量产生及调谐的涡旋光纤”(cn201611046969.8)、中国专利“一种支持多个线偏振模式与轨道角动量模式的少模光纤”(cn201710031428.6)和中国专利“一种oam传输光纤及其制造方法”(cn201410195087.2)分别介绍了适于大容量传输的oam信号传输的几种光纤，但因主要侧重大容量传输应用，在针对长距离传输需求的串扰控制和衰减控制方面未有针对性的优化设计。而中国专利“一种高纯度、低本征串扰的轨道角动量传输光纤”(cn201510664494.8)针对本征串扰有设计优化，但采用类似多模光纤的实心光纤芯区结构，对光纤设计与光纤折射率剖面控制精度都提出了较为苛刻的要求。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低串扰轨道角动量传输光纤及其制造方法，能够实现多个oam模式在光纤介质中长跨距、低串扰同步传输。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种低串扰轨道角动量传输光纤，其裸光纤包括由内向外依次布置的中心包层、下陷包层、环形芯层和外包层；所述中心包层和所述外包层折射率相同；所述环形芯层的最高折射率大于所述下陷包层的最高折射率以及所述中心包层的折射率；所述下陷包层最低折射率小于所述环形芯层的最低折射率以及所述中心包层的折射率。
进一步地，所述环形芯层的最大折射率相对所述中心包层的相对折射率差δn1％为0.15％～2.25％，折射率曲线拟合斜率为0.6～0.85。
进一步地，所述下陷包层最小折射率相对所述中心包层的相对折射率差δn3％为0.01％～0.90％，折射率曲线拟合斜率为0.75～0.8。
进一步地，所述中心包层的半径与所述环形芯层的环宽的比值为1～52：1。
进一步地，所述外包层的环宽与所述环形芯层的环宽的比值为0.5～58.5：1。
本发明还提供了一种低串扰轨道角动量传输光纤，其裸光纤包括由内向外依次布置的中心包层、中间层和外包层；所述中间层至少有两层，每一所述中间层包括由内向外依次布置的下陷包层和环形芯层；所述中心包层和所述外包层折射率相同；所述环形芯层的最高折射率大于所述下陷包层的最高折射率以及所述中心包层的折射率；所述下陷包层最低折射率小于所述环形芯层的最低折射率以及所述中心包层的折射率。
本发明还提供一种如上所述的低串扰轨道角动量传输光纤的制造方法，其包括如下步骤：
s1、按照流量计的开度百分比，将50～85％的四氯化硅、10～20％的四氯化锗、10～30％的三氯氧磷、0～10％的c2f6和30～70％的o2放入石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积600～4800趟，形成所述外包层；
s2、按照流量计的开度百分比，将30～70％的四氯化硅、20～75％的四氯化锗、0～25％的c2f6和30～70％的o2放入步骤s1中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积300～1200趟，形成所述环形芯层；
s3、按照流量计的开度百分比，将30～70％的四氯化硅、0～20％的四氯化锗、10～40％的c2f6和30～70％的o2放入步骤s2中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积200～1200趟，形成所述下陷包层；
s4、按照流量计的开度百分比，将50～85％的四氯化硅、10～20％的四氯化锗、10～30％的三氯氧磷、0～10％的c2f6和30～70％的o2放入步骤s3中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积200～6000趟，形成所述中心包层；
s5、将形成有所述外包层、所述环形芯层、所述下陷包层和所述中心包层的石英管放入高温石墨感应炉，该石英管在2000℃以上的温度下熔缩形成实心芯棒；将实心芯棒加工形成oam传输光纤预制棒；通过拉丝塔对oam传输光纤预制棒进行拉丝、并涂覆外涂层，形成oam传输光纤。
进一步地，步骤s5中将所述实心芯棒加工形成oam传输光纤预制棒包括以下步骤：将所述实心芯棒熔融套石英管形成oam传输光纤预制棒。
进一步地，步骤s5中将所述实心芯棒加工形成oam传输光纤预制棒包括以下步骤：将所述实心芯棒磨制形成oam传输光纤预制棒。
进一步地，步骤s5中所述oam传输光纤在1550nm波长的衰减系数小于1.8db/km，oam传输光纤能够支持+/-5阶以上的oam模式传输，oam模间耦合<-20db/km。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明裸光纤包括由内向外依次布置的中心包层、下陷包层、环形芯层和外包层，形成以具有渐变折射率的环形芯层为主体的整个波导结构，能够契合oam模式的空间相位分布特性，实现oam模式的高效、低串扰的大容量、高保真传输，且相较于常规阶跃型环形纤芯结构，对高阶oam模式的串扰影响更小。
(2)本发明所采用的与具有渐变折射率的环形芯层相临的特殊下陷包层结构，能够降低光纤长距离应用过程中，微弯对oam信号的不利影响，且能够降低信号传输过程中环形芯层的功率密度，抑制非线性效应造成的信号失真。
本发明所述下陷包层结构，采用相应配比的低折射率掺杂组分，引入小原子序数元素，能够有效抑制环形光纤中心包层区域内应力对渐变折射率纤芯的影响，降低光纤oam信号传输串扰。
(3)本发明利用等离子体化学气相沉积工艺精确的剖面控制能力，直接实现与设计匹配的环形纤芯式波导结构，能够有效解决包层中特定位置掺杂实现环形纤芯结构的难题，满足低串扰oam光纤大容量传输对光纤波导结构精确控制的严格要求；
本发明所述工艺，易于实现多个环形纤芯结构同心式分布，而多环形渐变折射率纤芯结构oam光纤能够极大地扩充单根光纤中的oam模式传输容量。
(4)本发明oam传输光纤在1550nm波长的衰减系数小于1.8db/km，oam模间耦合<-20db/km，具备良好的光学性能与可靠性，具备优良的oam模式传输性能，能够支持+/-5阶以上的oam模式低串扰传输。
附图说明
图1为本发明实施例提供的低串扰轨道角动量传输光纤裸光纤横截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的低串扰轨道角动量传输光纤预制棒折射率剖面示意图；
图3为本发明实施例提供的低串扰轨道角动量传输光纤制造方法流程图。
图中：1、中心包层；2、下陷包层；3、环形芯层；4、外包层；a、环形芯层环宽；b、中心包层半径；c、外包层环宽；k、下陷包层环宽。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参见图1所示，本发明实施例提供一种低串扰轨道角动量传输光纤，其裸光纤包括由内向外依次布置的中心包层1、下陷包层2、环形芯层3和外包层4；环形芯层3为一渐变折射率层，具有最高折射率和最低折射率，下陷包层2也具有最高折射率和最低折射率，中心包层1和外包层4折射率相同，均采用石英材质；环形芯层3的最高折射率大于下陷包层2的最高折射率，环形芯层3的最高折射率大于中心包层1的折射率；下陷包层2最低折射率小于环形芯层3的最低折射率，下陷包层2最低折射率小于中心包层1的折射率。
本发明裸光纤包括由内向外依次布置的中心包层、下陷包层、环形芯层和外包层，形成以具有渐变折射率的环形芯层为主体的整个波导结构，能够契合oam模式的空间相位分布特性，实现oam模式的高效、低串扰的大容量、高保真传输，且相较于常规阶跃型环形纤芯结构，对高阶oam模式的串扰影响更小。
本发明所采用的与具有渐变折射率的环形芯层相临的特殊下陷包层结构，能够降低光纤长距离应用过程中，微弯对oam信号的不利影响，由于下陷包层2最低折射率小于环形芯层3的最低折射率，下陷包层2最低折射率小于中心包层1的折射率，能够降低信号传输过程中环形芯层的功率密度，抑制非线性效应造成的信号失真。
实施例2
参见图2所示，本发明实施例提供一种低串扰轨道角动量传输光纤，本实施例与实施例1的区别在于：
将环形芯层3的最大折射率相对中心包层1的相对折射率差定义为δn1％，将环形芯层3的最大折射率相对外包层4的相对折射率差定义为δn2％，将下陷包层2最小折射率相对中心包层1的相对折射率差定义为δn3％。
δn1％和δn2％相等，且均为0.15％～2.25％，优选为0.15％、1.45％或2.25％，折射率曲线拟合斜率均为0.6～0.85。
δn3％为0.01％～0.90％，优选为0.01％、0.39％或0.90％，折射率曲线拟合斜率为0.75～0.8。
中心包层1的半径与环形芯层3的环宽的比值为1～52：1，优选为1:1、27:1或52:1。
外包层4的环宽与环形芯层3的环宽的比值为0.5～58.5：1，优选为0.5:1、35:1或58.5:1。
实施例3
参见图1所示，本发明实施例提供一种低串扰轨道角动量传输光纤，其裸光纤包括由内向外依次布置的中心包层1、中间层和外包层4；中间层至少有两层，每一中间层包括由内向外依次布置的下陷包层2和环形芯层3；中心包层1和外包层4折射率相同；环形芯层3的最高折射率大于下陷包层2的最高折射率以及中心包层1的折射率；下陷包层2最低折射率小于环形芯层3的最低折射率以及中心包层1的折射率。
本实施例中多个环形纤芯结构同心式分布，而多环形渐变折射率纤芯结构oam光纤能够极大地扩充单根光纤中的oam模式传输容量。
实施例4
参见图3所示，本发明实施例提供一种如上的低串扰轨道角动量传输光纤的制造方法，其包括如下步骤：
a1、按照流量计的开度百分比，将50～85％的四氯化硅、10～20％的四氯化锗、10～30％的三氯氧磷、0～10％的c2f6(即六氟乙烷)和30～70％的o2放入石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积600～4800趟，形成外包层4；
a2、按照流量计的开度百分比，将30～70％的四氯化硅、20～75％的四氯化锗、0～25％的c2f6和30～70％的o2放入步骤a1中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积300～1200趟，形成环形芯层3；
a3、按照流量计的开度百分比，将30～70％的四氯化硅、0～20％的四氯化锗、10～40％的c2f6和30～70％的o2放入步骤a2中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积200～1200趟，形成下陷包层2；
a4、按照流量计的开度百分比，将50～85％的四氯化硅、10～20％的四氯化锗、10～30％的三氯氧磷、0～10％的c2f6和30～70％的o2放入步骤a3中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积200～6000趟，形成中心包层1；
在沉积形成外包层4、环形芯层3、下陷包层2和中心包层1的过程中，特定的沉积原料、流量比例和沉积的趟数，不仅能够控制外包层4、环形芯层3、下陷包层2和中心包层1的相对折射率差，而且能够控制外包层4、环形芯层3、下陷包层2和中心包层1的半径比值。
a5、将形成有外包层4、环形芯层3、下陷包层2和中心包层1的石英管放入高温石墨感应炉，该石英管在2000℃以上的温度下熔缩形成实心芯棒；将实心芯棒加工形成oam传输光纤预制棒；
将实心信邦加工时，可以将实心芯棒熔融套石英管形成oam传输光纤预制棒，或者将实心芯棒磨制形成oam传输光纤预制棒。
a6：通过拉丝塔对oam传输光纤预制棒进行拉丝、并涂覆外涂层，形成oam传输光纤。oam传输光纤在1550nm波长的衰减系数小于1.8db/km，oam传输光纤能够支持+/-5阶以上的oam模式传输，oam模间耦合<-20db/km。
下面通过3个具体的实施例来详细说明本发明。
将环形芯层3的环宽标记为a，中心包层1的半径标记为b，外包层4的环宽标记为c，下陷包层2的环宽标记为k。
实施例5
采用本实施例获得的低串扰oam传输光纤，渐变折射率环形芯层3折射率最高处相对中心包层1相对折射率差δn1％为0.65％，渐变折射率环形芯层3折射率最高处相对外包层4相对折射率差δn2％为0.65％，δn1％与δn2％相等；渐变折射率环形芯层3折射率曲线拟合斜率为0.75；下陷包层2折射率最低处相对中心包层1(外包层4)相对折射率差δn3％为0.03％，下陷包层2折射率曲线拟合斜率为0.75，中心包层1的半径b与渐变折射率环形芯层3的环宽a比为25:1，外包层4环宽c与环形芯层3环宽a比为4.2:1。
该低串扰oam传输光纤的制造方法如下：
a1、按照流量计的开度百分比，将75％的四氯化硅、10％的四氯化锗、10％的三氯氧磷、5％的c2f6和55％的o2放入石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积1700趟，形成外包层4；
a2、按照流量计的开度百分比，将45％的四氯化硅、45％的四氯化锗、0％的c2f6和70％的o2放入步骤a1中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积520趟，形成环形芯层3；
a3、按照流量计的开度百分比，将45％的四氯化硅、5％的四氯化锗、20％的c2f6和55％的o2放入步骤a2中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积380趟，形成下陷包层2；
a4、按照流量计的开度百分比，将75％的四氯化硅、10％的四氯化锗、10％的三氯氧磷、5％的c2f6和55％的o2放入步骤a3中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积4750趟，形成中心包层1；
a5、将形成有外包层4、环形芯层3、下陷包层2和中心包层1的石英管放入高温石墨感应炉，该石英管在2200℃的温度下熔缩形成实心芯棒；将实心芯棒加工形成oam传输光纤预制棒；
a6、根据比例需要将芯棒放入匹配的套管进行组合，在拉丝塔上进行拉丝涂覆，获取对应尺寸的光纤。然后使用专属oam模式传输检测系统检测光纤传输性能，1550nm波长衰减系数为1.74db/km，光纤能够支持+/-7阶的oam模式传输，oam模间耦合为-20db/km。
该光纤测试的主要指标见表-1所示。
表-1oam传输光纤性能指标
上述几何尺寸指标为市场通用语，上述每层的直径或厚度，均是制备出该层后，测量光纤整体的尺寸。下表相同。
实施例6
采用本实施例获得的低串扰oam传输光纤，渐变折射率环形芯层3折射率最高处相对中心包层1相对折射率差δn1％为2.12％，渐变折射率环形芯层3折射率最高处相对外包层4相对折射率差δn2％为2.12％，δn1％与δn2％相等；渐变折射率环形芯层3折射率曲线拟合斜率为0.82，下陷包层2折射率最低处相对中心包层1(外包层4)相对折射率差δn3％为0.09％，下陷包层2折射率曲线拟合斜率为0.77，中心包层1的半径b与渐变折射率环形芯层3的环宽a比为1：1，外包层4环宽c与环形纤芯3环宽a比为58.5：1.
该低串扰oam传输光纤的制造方法如下：
a1、按照流量计的开度百分比，将75％的四氯化硅、10％的四氯化锗、10％的三氯氧磷、5％的c2f6和55％的o2放入石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积4500趟，形成外包层4；
a2、按照流量计的开度百分比，将35％的四氯化硅、75％的四氯化锗、0％的c2f6和45％的o2放入步骤a1中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积370趟，形成环形芯层3；
a3、按照流量计的开度百分比，将30％的四氯化硅、10％的四氯化锗、25％的c2f6和45％的o2放入步骤a2中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积210趟，形成下陷包层2；
a4、按照流量计的开度百分比，将75％的四氯化硅、10％的四氯化锗、10％的三氯氧磷、5％的c2f6和55％的o2放入步骤a3中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积350趟，形成中心包层1；
a5、将形成有外包层4、环形芯层3、下陷包层2和中心包层1的石英管放入高温石墨感应炉，该石英管在2200℃的温度下熔缩形成实心芯棒；将实心芯棒加工形成oam传输光纤预制棒；
a6、根据比例需要将芯棒放入匹配的套管进行组合，在拉丝塔上进行拉丝涂覆，获取对应尺寸的光纤。然后使用专属oam模式传输检测系统检测光纤传输性能，1550nm波长衰减系数为1.79db/km，光纤能够支持+/-7阶的oam模式传输，oam模间耦合为-20db/km。
该光纤测试的主要指标见表-2所示。
表-2oam传输光纤性能指标
实施例7
采用本实施例获得的低串扰oam传输光纤，渐变折射率环形芯层3折射率最高处相对中心包层1相对折射率差δn1％为1.82％，渐变折射率环形芯层3折射率最高处相对外包层4相对折射率差δn2％为1.82％，δn1％与δn2％相等；渐变折射率环形芯层3折射率曲线拟合斜率为0.80，下陷包层2折射率最低处相对中心包层1(外包层4)相对折射率差δn3％为0.07％，下陷包层2折射率曲线拟合斜率为0.77，中心包层1的半径b与渐变折射率环形芯层3的环宽a比为10：1，外包层4环宽c与环形纤芯环宽a比为19：1.
该低串扰oam传输光纤的制造方法如下：
a1、按照流量计的开度百分比，将65％的四氯化硅、15％的四氯化锗、12％的三氯氧磷、10％的c2f6和60％的o2放入石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积1000趟，形成外包层4；
a2、按照流量计的开度百分比，将55％的四氯化硅、60％的四氯化锗、0％的c2f6和50％的o2放入步骤a1中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积450趟，形成环形芯层3；
a3、按照流量计的开度百分比，将35％的四氯化硅、5％的四氯化锗、25％的c2f6和45％的o2放入步骤a2中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积700趟，形成下陷包层2；
a4、按照流量计的开度百分比，将65％的四氯化硅、15％的四氯化锗、12％的三氯氧磷、10％的c2f6和60％的o2放入步骤a3中的石英管中，利用等离子体化学气相沉积工艺沉积4200趟，形成中心包层1；
a5、将形成有外包层4、环形芯层3、下陷包层2和中心包层1的石英管放入高温石墨感应炉，该石英管在2200℃的温度下熔缩形成实心芯棒；将实心芯棒加工形成oam传输光纤预制棒；
a6、根据比例需要将芯棒放入匹配的套管进行组合，在拉丝塔上进行拉丝涂覆，获取对应尺寸的光纤。然后使用专属oam模式传输检测系统检测光纤传输性能，1550nm波长衰减系数为1.77db/km，光纤能够支持+/-8阶的oam模式传输，oam模间耦合为-20db/km。
该光纤测试的主要指标见表-3所示。
表-3oam传输光纤性能指标
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。