CN108089267B - 一种光纤型宽带光涡旋转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤型宽带光涡旋转换器；该转换器包括单模光纤、作用在单模光纤的偏振控制器、多模光纤、作用在多模光纤的偏振控制器，放置在多模光纤输出端的起偏器。通过单模光纤输出端与多模光纤输入端构成的非对称连接激发光涡旋模式。光涡旋模式的阶数可以通过控制偏振控制器进行灵活调控；通过对偏振控制器与起偏器工作状态的联合调解，可以滤除残存的非光涡旋成分，提升光涡旋模式纯度。转换器不具有限制带宽的结构，因此工作带宽大。本发明可以利用非对称熔接和非对称粘贴实现，加工工艺简单。相比于传统光涡旋转换器件，本发明明显降低了加工难度与成本、提升了器件的工作带宽，具有广泛的应用前景。

Description

一种光纤型宽带光涡旋转换器

技术领域

本发明属于光子学领域，更具体地，涉及一种光纤型宽带光涡旋转换器。

背景技术

光涡旋(OV：Optical Vortex)是一类具有螺旋相位的特殊光场，其中l可以是任意整数，称为拓扑荷数，为方位角。光涡旋围绕光轴扭转向前传输，中心处存在不确定相位奇点，成中空环形分布。1992年，Allen等人证实光涡旋每个光子携带值为lh的轨道角动量，因此光涡旋也被称为轨道角动量(OAM：Orbital Angular Momentum)光束。光涡旋因其独特的相位特性(螺旋相位)、光强特性(环形光强)和动力学特性(携带轨道角动量)，已被并被广泛应用于光学捕获、光学镊子、光学扳手、光学漩涡打结、转速测量和量子信息处理等多个领域。近年来，光涡旋在通信领域也显现了巨大潜力，为通信系统容量的持续扩容、带宽增长提供了新途径。

光涡旋的产生方法很多，概括起来可以分为两类。其中一类是直接从激光腔中输出光涡旋光束；另一类是在腔外通过转换器将高斯光束变换为光涡旋光束(光涡旋模式)。尤其是第二种方法具有实现简单、灵活、可控性强、实现方式多等特点，因此应用也更加广泛。常用的光涡旋模式转换器有螺旋相位盘、衍射全息图、超材料、柱透镜系统、Q盘(Q-Plate)、耦合器、集成波导器件等。此外，近年来基于光纤结构产生光涡旋光束也引起了广泛关注。应用光纤结构产生光涡旋光束具有灵活可控、低成本、体积小等优点，其应用前景十分广泛。但是，现有的光纤光涡旋光束产生方法也多存在加工制作困难、模式纯度低、带宽窄等诸多挑战。尤其是带宽受限问题，在其它非光纤光涡旋产生方案中同样存在。然而，在很多实际应用中，宽带宽是十分必要的。比如，在光通信广泛采用的波分复用技术需求的带宽就很大，在这种情况下，若进一步结合光涡旋通信提升系统容量，势必要求光涡旋产生器具有同样的带宽。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种光纤型宽带光涡旋转换器，其目的在于提高光涡旋转换器的工作带宽。

本发明提供了一种光纤型宽带光涡旋转换器，包括：单模光纤，第一偏振控制器，多模光纤，第二偏振控制器和起偏器；单模光纤的输入端用于接收高斯光，单模光纤的输出端与多模光纤的输入端之间采用非对称连接；第一偏振控制器施加在单模光纤上，第二偏振控制器施加在多模光纤上，起偏器设置在多模光纤的输出端。

工作时，从所述单模光纤入射的高斯光经过单模光纤与多模光纤的非对称连接的作用，激发多模光纤内的高阶模式成分；并通过联合调控所述第一偏振控制器、第二偏振控制器和起偏器来控制光纤内传播各个模式的相位与偏振态，滤除残留的高斯模式成分，调节光涡旋的阶数，并在输出端获得高纯度的光涡旋模式或者LP模式。

更进一步地，起偏器与多模光纤的输出端之间留有一定的空间，其目的是为了防止光纤与起偏器物理接触引发形变，影响光束质量与出射方向。

更进一步地，单模光纤的中心线与所述多模光纤的中心线不对齐、不平行、或同时不对齐和不平行；可以有效的提高模式转换效率，提高器件的性能参数。

更进一步地，单模光纤的输出端与所述多模光纤的输入端之间采用非对称熔接或非对称粘贴来实现非对称连接。

更进一步地，对所述单模光纤输出端和所述多模光纤输入端的端面形貌刻蚀、拉锥、烧球或超材料处理。这些处理方法可以对出射光束起到聚焦、滤波等作用，通过更高的耦合效率和模式转换比例，得到降低器件损耗、提升光涡旋转换效率。

本发明具有如下有益效果：

(1)相对于传统的光涡旋发生器件，本发明提供的光纤型光涡旋转换器由于无需光栅结构，具有更宽的工作带宽；由于整个装置为光纤结构，具有更小的体积；由于结构简单，约束度少，具有更低的加工难度与成本。

(2)本发明采用的光纤端对端非对称连接耦合结构，这种结构由于模式不匹配，使更大部分基模激发至高阶模式，增大了转换效率并减小了损耗，为光涡旋转换提供了一种全新的思路和简单易于实现的装置。

(3)本发明通过对偏振控制器与起偏器工作状态的联合调控滤除残余非光涡旋成分，可以提升产生光涡旋的纯度，光束质量更高，为提升光纤型光涡旋器的模式纯度提供了新思路。

(4)本发明提供的光纤型光涡旋转换器，通过控制偏振控制器可以实现对产生模式的灵活调控，如调节光涡旋的拓扑荷数、产生LP光束等，因而具有广泛的应用可扩展性。

附图说明

图1是本发明提供光纤型宽带光涡旋转换器结构示意图；

图2是本发明实施例提供的实验装置示意图；

图3是本发明实施例提供的对光纤型宽带光涡旋转换器的光斑测试结果，图中(a1)、(a2)是LP模式的光强分布与干涉图样分布；(b1)、(b2)是拓扑核数为+1的光涡旋的强度与干涉图样分布；(b3)、(b4)是拓扑核数为-1的光涡旋的强度与干涉图样分布；

图4是本发明实施例提供的对光纤型宽带光涡旋转换器的功率谱测试结果；其中，(a)是拓扑核数为+1时的功率谱；(b)是拓扑核数为-1时的功率谱。根据图4可以说明本发明实施例在不同的拓扑核数下都能保证较好的纯度。

图5是本发明实施例提供的对光纤型宽带光涡旋转换器的带宽测试结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种光纤型宽带光涡旋转换器，目的在于提高光涡旋转换器的工作带宽，简化其加工工艺。

本发明提供的一种光纤型宽带光涡旋转换器，包括：单模光纤、第一偏振控制器、多模光纤、第二偏振控制器和起偏器；第一偏振控制器施加在单模光纤上，第二偏振器施加在多模光纤上，起偏器放置在特种多模光纤的输出端。单模光纤输出端与多模光纤输入端连接，且连接方式为端对端非对称连接，即单模光纤的中心线与多模光纤的中心线不对齐、或不平行、或同时不对齐和不平行。本发明中通过光纤的非对称连接激发光涡旋模式；光涡旋模式的阶数可以通过控制偏振控制器进行灵活调控；通过对偏振控制器与起偏器工作状态的联合调解，可以滤除残存的非光涡旋成分，提升光涡旋模式纯度；转换器不具有限制带宽的结构，带宽大。

在本发明实施例中，光纤端对端非对称连接可以通过光纤非对称熔接和非对称粘贴实现。光纤非对称熔接所需位移长，环境要求低，更不易发生形变，性能更稳定；而非对称粘贴的方法稳定程度取决于粘贴效果，对环境要求较高，制作工艺要求低。同时，还可以对连接处的单模光纤与多模光纤的端面形貌进行处理，降低器件损耗、提升光涡旋转换效率。

在本发明实施例中，通过对第一偏振控制器与第二偏振工作状态的调节，可以实现LP模式与光涡旋模式的选择性激发。为了提高器件的集成度，所述放置在多模光纤输出端的起偏器，可以直接在所述多模光纤输出端面上进行加工制作或封装。

在本发明实施例中，输入端的单模光纤也可以是多模光纤且要保证其内传导的模式为基模。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的一种光纤型宽带光涡旋转换器的结构示意图。具体实施方式如下：

该装置包括：单模光纤1，第一偏振控制器2，多模光纤3，第二偏振控制器4和起偏器5；第一偏振控制器2作用在单模光纤1上，第二偏振控制器4作用在多模光纤3上，起偏器5置在多模光纤3的输出端，且起偏器5与多模光纤3的输出端之间留有一定的空间(防止光纤与起偏器物理接触引发形变，影响光束质量与出射方向)；单模光纤1与多模光纤之间采用非对称连接(不对齐、不平行或者不对齐且不平行)，这种方法可以有效的减小损耗，提高器件的性能参数。

单模光纤1的输出端与多模光纤3的输入端相连构成端对端非对称连接，即单模光纤的中心线与多模光纤的中心线不对齐、或不平行、或同时不对齐和不平行。从单模光纤1入射的高斯光经过非对称连接的作用，可以激发多模光纤内的高阶模式成分。通过联合调控第一偏振控制器2、第二偏振控制器4和起偏器5，可以精确控制光纤内传播各个模式的相位与偏振态，即可以滤除残留的高斯模式成分，并可以调节光涡旋的阶数，在输出端获得高纯度的光涡旋模式或者LP模式。

下面介绍本发明提供的光纤型宽带光涡旋转换器具体实施例，以验证图1所示的装置是否可以实现高纯度、宽带光涡旋的产生。

如图2所示，是验证本发明的实验装置，单模光纤1为标准单模光纤，多模光纤3为两模光纤，非对称连接为同时不对齐和不平行连接，第一偏振控制器2和第二偏振控制器4为三桨光纤偏振控制器，其它还包括：起偏器5、起偏器16、可调谐激光器6、第一光纤耦合器7、20倍物镜8、分束器9、近红外相机10、空间光调制器11、反射镜12、第二光纤耦合器13、第三光纤耦合器15、光功率计14和半波片17；其中可调谐激光器6为激光光源；第一偏振控制器2、第二偏振控制器4、起偏器5、起偏器16和半波片17组成模式选择与滤波系统；单模光纤1、多模光纤3构成光束光纤内传输路径；第一光纤耦合器7、分束器9分别作用为激光在光纤内和空间内分束；第二光纤耦合器13、第三光纤耦合器15作用为光束在空间与光纤内传输的转换；近红外相机10、光功率计14构成探测系统；空间光调制器11作为相位解调器件；其余器件作为光路组成部分。可调谐激光器6的输出波长范围为1480nm～1640nm。从可调谐激光器6输出的激光经第一光纤耦合器7分成两路，一路经过本发明提出的光纤型宽带光涡旋转换器，一路作为参考光用来与产生的光涡旋进行干涉验证光涡旋的螺旋相位。产生的光涡旋的功率谱分布可以通过空间光调制器11和光功率计14等组成的光路进行测量，可以验证光涡旋的纯度。红外相机10用来记录产生的光涡旋光束的光强分布与干涉图样分布。现有的光纤型光涡旋转换器件由于光纤结构的限制，带宽小于几十甚至几个纳米，而本发明所提供的光纤型光涡旋转换器带宽大于160nm，并在波段附近仍有较好的工作效果。

如图3所示，是本发明提供的实施例中对光纤型宽带光涡旋转换器的光斑测试结果，图中(a1)、(a2)是LP模式的光强分布与干涉图样分布；(b1)、(b2)是拓扑核数为+1的光涡旋的强度与干涉图样分布；(b3)、(b4)是拓扑核数为-1的光涡旋的强度与干涉图样分布。从图中的光斑强度分布与干涉图样分布可以看出本发明提出的光纤型宽带光涡旋转换器成功实现了光纤基模到光涡旋或LP模式的转化。

如图4所示，是本发明提供的实施例中对光纤型宽带光涡旋转换器的功率谱测试结果。激光波长为1550nm，产生的l＝±1阶光涡旋与相邻阶光涡旋的消光比大于22dB，说明产生的光涡旋具有很高纯度。

如图5所示，是本发明提供的实施例中对光纤型宽带光涡旋转换器的带宽测试结果。在1480nm～1640nm光谱范围内，都可以实现比较好的转换，不同波长通道下测得功率抖动小于两个dB，说明转换器具有很大的带宽。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种光纤型宽带光涡旋转换器，其特征在于，包括：单模光纤(1)，第一偏振控制器(2)，多模光纤(3)，第二偏振控制器(4)和起偏器(5)；

所述单模光纤(1)的输入端用于接收高斯光，所述单模光纤(1)的输出端与所述多模光纤(3)的输入端之间采用非对称连接；所述第一偏振控制器(2)施加在所述单模光纤(1)上，所述第二偏振控制器(4)施加在所述多模光纤上，所述起偏器(5)设置在所述多模光纤(3)的输出端；

工作时，从所述单模光纤(1)入射的高斯光经过所述单模光纤(1)与所述多模光纤(3)的非对称连接的作用，激发所述多模光纤(3)内的高阶模式成分；并通过联合调控所述第一偏振控制器(2)、所述第二偏振控制器(4)和所述起偏器(5)来控制光纤内传播各个模式的相位与偏振态，滤除残留的高斯模式成分，调节光涡旋的阶数，并在输出端获得高纯度的光涡旋模式或者LP模式。

2.如权利要求1所述的光纤型宽带光涡旋转换器，其特征在于，所述起偏器(5)与所述多模光纤(3)的输出端之间留有一定的空间。

3.如权利要求1-2任一项所述的光纤型宽带光涡旋转换器，其特征在于，所述单模光纤(1)的中心线与所述多模光纤(3)的中心线不对齐、不平行、或同时不对齐和不平行。

4.如权利要求1-2任一项所述的光纤型宽带光涡旋转换器，其特征在于，所述多模光纤(3)为普通多模光纤、少模光纤或环形光纤。

5.如权利要求1所述的光纤型宽带光涡旋转换器，其特征在于，所述单模光纤(1)的输出端与所述多模光纤(3)的输入端之间采用非对称熔接或非对称粘贴来实现非对称连接。

6.如权利要求1所述的光纤型宽带光涡旋转换器，其特征在于，对所述单模光纤输出端和所述多模光纤输入端的端面形貌进行刻蚀、拉锥、烧球或超材料处理。