CN108107509A - 一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法及装置。其方法为：首先将去除涂覆层的少模光纤放置于光纤夹具上并将两端拉直固定；然后采用二氧化碳激光器通过功率渐变法，先对裸光纤区域用低功率单面曝光扫描，使光栅区域残余应力部分释放，随后根据观察光纤形貌，逐渐加大激光扫描功率并进行多次重复扫描，使得光纤轴向应力完全释放，获得折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅，采用此光栅实现光纤基模耦合转换至高阶角向量子数的线性偏振纤芯导模，通过应力扭转少模光纤，使得高阶模的奇偶模分量的相位形成π/2相位差，以此获得高阶旋涡模式光束输出。该方法制作流程简单、结构紧凑，重复性好，价格低廉，可获得良好的经济效益。

Description

一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法及装置
技术领域
本发明属于光纤通信领域，具体涉及到一种基于少模光纤的高阶旋涡模式的产生方法
背景技术
光学旋涡(OV)是具有螺旋型波前和轨道角动量的特殊光场。光学旋涡光束独特的动力学特性、轨道角动量特性和拓扑结构在光学微操纵、光学显微成像、光通信、量子信息、光学散斑以及远程传感等领域都具有重要研究价值，尤其在扩大光通信容量并提高安全性与调制能力领域。如何去高效产生OV光束并于光纤系统集成成为技术难点。目前由产生高阶OV光束可以使用空间相位片、空间光调制器等器件来实现。然而由于空间相位片和空间光调制器耦合进通信光纤系统时，是采用空间光耦合方式，其具有耦合损耗大，模式匹配失真、集成度低，结构不紧凑和成本高昂等缺点。然而长周期光纤光栅由于其具有尺寸小，结构简单，插入损耗小,且可实现基模向高阶模耦合转换等特点，因此被用来做模式转换器，并实现高阶OV光束的输出。
已有报道显示在少模光纤上，基模(LP01模式)可以能够被很好的耦合到低阶角向量子数相对小的LP11模式上，但是由于基模与角向量子数大的高阶线性偏振纤芯模(如LP21模式)具有很大的有效折射率差，导致模场的交叠区域小，因为如何实现LP01模式向LP21模式甚至更高阶模式的转换成为技术难点。
当前采用长周期光纤光栅实现LP01模式向LP21模式的转换是采用通过级联两根长周期光纤光栅实现，首先通过一根长周期光栅将LP01模式耦合转换为LP11模式，然后经级联的另一光栅再将LP11模式转化为LP21模式，然后通过调节三个偏振控制器控制简并模式的强度比例和相位差将LP21模式转化为二阶涡旋模式。此方法由于采用两根长周期光纤光栅级联实现，需要两段光栅的耦合峰值波长完全重合，其耦合效率取决于光栅波长的匹配度，因此对光栅刻制系统的刻制周期精度和稳定性具有非常苛刻的要求。总体而言，该方法重复性低、制作效率低、工艺复杂、难以规模化生产且光栅尺寸过长等缺点。
发明内容
本发明的目的是克服现有制作方法和技术的缺点与不足，提出采用二氧化碳激光器利用功率渐变法制作强调制深度的长周期光纤光栅，用于实现少模光纤中的LP01模式向LP21模式耦合转换，将基模转换为角向量子数大的高阶线性偏振纤芯导模，通过应力扭转少模光纤，使得高阶模的奇偶模分量的相位形成π/2相位差，以此获得高阶旋涡模式光束输出。
强调制深度的少模光纤光栅的特征是：其光纤的纤芯和包层几何结构改变明显，光纤折射率调制深度强，分布不对称的长周期光纤光栅，该结构可以实现少模光纤中的角向量子数的耦合转换，能够在少模光纤上将基模转换为角向量子数大的高阶线性偏振纤芯导模。通过在长周期光纤光栅上施加扭转应力，实现光纤中LP21奇模和LP21偶模的π/2的相位差,将光纤基模耦合转换成高阶角向量子数的线性偏振纤芯导模，以此获得高阶旋涡模式的光束输出。
本发明的目的至少通过如下技术方案实现。
一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法:在少模光纤上刻制的长周期光纤光栅，使光纤的纤芯和包层几何结构改变明显，获得折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅，实现少模光纤中的角向量子数的耦合转换，能够在少模光纤上将基模转换为2阶及以上的高阶线性偏振纤芯导模，通过应力扭转少模光纤，使得高阶模的奇偶模分量的相位形成π/2相位差，以此获得高阶旋涡模式光束输出。
进一步地，所述折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅通过以下方法获得：首先将去除涂覆层的少模光纤放置于光纤夹具上并将两端拉直固定；然后采用二氧化碳激光器通过功率渐变法，先对裸光纤区域用低功率单面曝光扫描，使光栅区域残余应力部分释放，随后根据观察光纤形貌，逐渐加大激光扫描功率并进行多次重复扫描，使得光纤轴向应力完全释放，明显改变光纤的纤芯和包层的几何结构，获得折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅。
进一步地，所述折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅的具体制作步骤包括：
(1)去除光纤涂覆层，将少模光纤拉直并用光纤夹具将两端固定，并且两端分别熔接单模光纤并连上宽带光源以及光谱仪用于检测光栅效果；
(2)用电脑连接二氧化碳激光器，设置振镜偏移间隔和曝光功率用以设定光栅周期和激光功率参数；
(3)用二氧化碳激光器的较低功率(如平均功率小于5w)对光栅扫描区进行单面曝光；
(4)用CCD检测光栅形貌图形及位置，，依据光栅的几何形变程度以及长度变化程度，预判下次所用的合适功率；
(5)用二氧化碳激光器的较高(如平均功率高于5w)功率再次对光栅扫描区进行单面曝光；
(6)重复(4)和(5)，使得调制强度能够足够大，能够在光谱仪上面对应的谐振峰处形成透射峰，则制成所需的强调制长周期光纤光栅。
进一步地，所述强调制少模光纤光栅的折射率调制深度达到10-2量级。
进一步地，光纤的纤芯和包层发生很明显的周期性不对称的几何结构形变，其大的折射率微扰破坏了光纤纤芯模式的正交性，克服了基模与角向量子数大的高阶线性偏振纤芯模(如LP21模式)的场的交叠区域小且折射率差大的问题，实现了角向高阶纤芯模式的转化产生，通过应力扭转少模光纤，以此获得高阶旋涡模式光束输出。
进一步地，强调制少模光纤光栅，其特征在于：所述少模光纤为四模光纤，六模光纤，七模光纤，九模光纤，或十二模光纤。
进一步地，所述强调制少模光纤光栅的纤芯模式是传导模。
进一步地，在光栅的制作过程中，功率是影响调制强度的重要因素，按传统的恒定功率单次或者多次在光纤上刻写光栅达不到所需要的调制强度，因而采用功率渐变的方法刻写强调制光纤光栅。先使用较低功率对光栅区域裸光纤进行单面曝光，使得光纤的残余应力得到部分的释放，然后根据CCD探测到的光栅形貌，适当调整刻制激光功率，再次对光栅区域进行曝光,进一步的释放残余应力软化光纤使得光纤的纤芯和包层的几何结构发生明显的改变。接着重复以上方法逐步增大功率多次刻写光栅，从而形成所需的强调制少模长周期光纤光栅。
本发明还提供了用所述的一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法的装置，其包括二氧化碳激光器，少模光纤，光谱仪，宽带光源，CCD，场镜，熔接机，两个光纤夹具，单模光纤，和控制电脑；其中所述的两个光纤夹具分别被固定在两个三维位移平台上；少模光纤的两端被光纤夹具所固定，并分别用熔接机熔上两段单模光纤，其中一端接上宽带光源，另外一端接上光谱仪；控制电脑连接二氧化碳激光器，二氧化碳激光器经过场镜的聚焦产生激光在去除涂覆层的少模光纤上进行光栅的刻写，CCD放置在光栅刻写区域以便进行光栅形貌和位置的检测。
进一步地，二氧化碳激光器的波长为10.6微米。所述少模光纤去除了涂覆层部位。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
由上述本发明提供的技术方案可以看出，相对于空间型模式转换器件和光栅级联法，该方法所用的长周期光纤光栅是光纤型无源器件，与光纤通信系统兼容性强，系统集成度高，成本低且结构紧凑等优点。克服了光栅尺寸长，结构不紧凑和对刻制系统稳定性的苛刻要求。同时，与传统的采用恒定功率单次或多次在光纤上进行刻写不同，采用功率渐变的方法克服了由于基模与角向量子数大的高阶线性偏振纤芯模(如LP21模式)的有效折射率差很大且场的交叠区域很小导致的无法将基模耦合到角向量子数大的高阶线性偏振纤芯模式的问题，通过应力扭转少模光纤，使得高阶模的奇偶模分量的相位形成π/2相位差以此获得高阶旋涡模式光束输出。
附图说明
图1为本发明实施例所提供在四模光纤上制作能产生LP21模式的强调制少模光纤光栅的实验装置及结构示意图。
图2为本发明实施例中产生LP21模式并转化为二阶涡旋模式的实验装置示意图
图3a为用所制作的强调制少模长周期光纤光栅实现LP01模式转换为LP21模式的模场图；
图3b为二阶涡旋光的模场图；
图3c为涡旋光与基模的干涉图；
图3d是二阶涡旋光与基模的干涉图。
具体实施方式
以下将结合该发明实施例中的附图，对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有为特别详细说明之处均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
实施例
以在阶跃四模光纤刻写由基模转换为LP21模式为例，图1为该实例中所制作强调制光纤光栅的示意图。如图1所示，所述的制作强调制光纤光栅的装置包含四模阶跃型光纤1，去除了涂覆层部位的四模光纤2，两个光纤夹具3，两段单模光纤4，宽带光源5，光谱仪6，两个三维位移平台7，控制电脑8，二氧化碳激光器9，场镜10，CCD11，其中所述的两个光纤夹具3分别被固定在两个三维位移平台7上，所述的四模光纤的两端被光纤夹具3所固定，并分别用熔接机熔上两段单模光纤4，其中一端接上400nm的宽带光源，另外一端接上光谱仪。二氧化碳激光器9经过场镜10的聚焦产生激光在去除涂覆层的四模光纤2上进行光栅的刻写，CCD11放置在光栅刻写区域以便进行光栅形貌和位置的检测。光纤包层12和纤芯13发生了明显的结构变化。图2为该实例中将强调制光栅中产生的LP21模式转化为二阶涡旋模式的实验装置示意图。如图2所示，所述的产生LP21模式及转化为二阶涡旋模式的实验装置包括光纤夹具3，单模光纤4，单波长激光器14，偏振控制器15，扭转夹具16及已经刻写好的光栅17。其中所述的刻写好的光栅17一端被光纤夹具3固定，另外一端被扭转夹具16固定，并与单模光纤4熔接。单模光纤接上偏振控制器15与单波长激光器14相连。
高阶旋涡模式产生的方法原理：少模光纤支持传导多个纤芯模，但是一般情况下，各个线性偏振纤芯模式之间有一定的折射率差，尤其是基模和高阶线性偏振模式(如LP21模式)之间折射率差很大，并且对于角向量子数大的如LP21模式与LP01模式场的交叠较小导致其耦合系数较小，难以实现由低阶模式向高阶的耦合，但是如果给予足够强的折射率调制，则可以打破各个纤芯模式的正交性，使得LP01模式能直接耦合到LP21模式上。采用二氧化碳激光器制作的长周期光纤光栅时，刻写功率很大程度的影响了光纤的调制强度。若用恒定功率的话，功率太低会导致调制强度不够，功率太高则会破坏光纤使其断裂。因而采用功率渐变的方法刻写光栅较为合适，先使用较低的功率刻写使得光纤的残余应力沿着轴向释放，并且使得光纤软化，便于下次加大功率进行进一步的调制。在重复多次刻写后使光栅调制强度达到能将LP01模式耦合转化到LP21模式为止，通过应力扭转少模光纤，使得高阶模的奇偶模分量的相位形成π/2相位差以此获得高阶旋涡模式光束输出。
以上是本装置的主要元件及连接关系，下面将详细介绍制作该强调制光纤光栅的步骤和高阶旋涡模式光束的产生方法：
(1)a.用光纤剥线钳去除光纤涂覆层，将包层直径为125微米的四模裸光纤拉直并放置于光纤夹具压槽内压紧，光纤夹具固定在三维位移平台上，调整三维控制平台使得去涂覆层的光纤位于激光的焦平面上，并且两端分别用熔接机熔接单模光纤并连上宽带光源以及光谱仪用于检测光栅效果b.用控制电脑连接二氧化碳激光器，设置激光功率、频率、扫描速度、光栅周期、光栅周期数参数和光栅长度。c.用二氧化碳激光器扫描裸光纤区域单面曝光并刻制光栅d.刻写完一次之后用CCD检测被扫描一次的光栅形貌图形及位置，根据CCD采集的光栅形貌，预判并调整下次合适的激光刻制功率e.用二氧化碳激光器采用功率渐变发多次重复对光栅扫描区进行单面曝光，逐步释放残余应力软化光纤使光纤的纤芯包层几何结构发生明显改变，从而获得强调制深度的长周期光纤光栅，能将LP01模式耦合到LP21模式上。
(2)a.将上述刻写好的光栅一端用光纤夹具固定，另外一端拉直并固定在旋转夹具上，并与单模光纤熔接，单模光纤接上偏振控制器和单波长激光器。b.打开激光器，则在输出端形成LP21模式。c.调整偏振控制器并且扭转光栅则得到二阶的涡旋光
制作过程要注意的事项有：(1)拉直少模光纤的轴向应力要适当，不要太大，否则，在刻写光栅时一旦加大功率易破坏光纤使其断裂(2)所用光纤可以为四模光纤、七模光纤等少模光纤或者多模光纤(3)光栅的强调制深度是通过功率渐变发获得，先使用较低功率对光栅区域裸光纤进行单面曝光，使得光纤的残余应力得到部分的释放并且软化，然后根据CCD上刻写光栅的形貌位置适当的提升功率再次对光栅区域进行曝光,进一步的释放残余应力软化光纤并使得光纤的纤芯包层几何结构发生明显变化，并获得强调制深度的长周期光纤光栅。(4)利用本发明的制作方法可以在各种类型少模光纤上制作，如四模光纤，六模光纤，七模光纤，九模光纤，十二模光纤等，纤芯模式是导模，制作强调制少模长周期光纤光栅，将基模耦合到角向量子数大的线性偏振纤芯模式如(LP21模式甚至更高的LP31等模式)，一般选用的光栅周期为几百个微米。
图3a、图3b给出了利用实例中光栅在CCD下记录的实现从基模(LP01模式)向角向量子数为2的高阶线性偏振模(LP21)模式的转化的实际模场图。可以看出图3b的四瓣形光斑很清楚，表示了LP01模式与LP21模式之间很好的耦合。图3c给出了所形成的二阶涡旋光的模场图。图3d是二阶涡旋光与基模的干涉图，所形成的涡旋图清晰的证明了该二阶涡旋光束带有两个相位奇点和拓扑荷为2的轨道角动量。
应用前景：本发明实施例中的强调制长周期光纤光栅因采用了激光功率渐变刻制法，先采用低功率分三次对光栅扫描区进行单面曝光，使得光栅栅区处的光纤在横向处发生20 到30微米形变，然后逐渐加大激光功率，使光栅栅区横向形变扩大至至40到50微米，其克服了由于基模与角向量子数大的高阶线性偏振纤芯模LP21模式的有效折射率差很大且场的交叠区域很小导致的无法将基模耦合到角向量子数大的高阶线性偏振纤芯导模的问题，可实现LP01模式耦合转换至LP21模式，通过应力扭转少模光纤，使得高阶模的奇偶模分量的相位形成π/2相位差，可较易获得高阶旋涡模式光束输出。
该制作方法简单，工艺简单效益高，因而可较易实现规模化生产。此外，由于其与光纤通信系统兼容性强，系统集成度高，成本低且结构紧凑等优点，可被广泛的应用于光学微操纵、光学显微成像、光通信、量子信息、光学散斑以及远程传感等领域。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法，其特征在于: 在少模光纤上刻制的长周期光纤光栅，使光纤的纤芯和包层几何结构改变明显，获得折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅，实现少模光纤中的角向量子数的耦合转换，能够在少模光纤上将基模转换为2阶及以上的高阶线性偏振纤芯导模，通过应力扭转少模光纤，使得高阶模的奇偶模分量的相位形成π/2相位差，以此获得高阶旋涡模式光束输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法，其特征在于:所述折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅通过以下方法获得：首先将去除涂覆层的少模光纤放置于光纤夹具上并将两端拉直固定；然后采用二氧化碳激光器通过功率渐变法，先对裸光纤区域用低功率单面曝光扫描，使光栅区域残余应力部分释放，随后根据观察光纤形貌，逐渐加大激光扫描功率并进行多次重复扫描，使得光纤轴向应力完全释放，明显改变光纤的纤芯和包层的几何结构，获得折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅。
3.根据权利要求1所述的一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法，其特征在于:所述折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅的具体制作步骤包括：
（1）去除光纤涂覆层，将少模光纤拉直并用光纤夹具将两端固定，并且两端分别熔接单模光纤并连上宽带光源以及光谱仪用于检测光栅效果；
（2）用电脑连接二氧化碳激光器，设置振镜偏移间隔和曝光功率用以设定光栅周期和激光功率参数；
（3）用二氧化碳激光器的设定较低功率对光栅扫描区进行单面曝光；
（4）用CCD检测光栅形貌图形及位置，，依据光栅的几何形变程度以及长度变化程度，预判下次所用的合适功率；
（5）用二氧化碳激光器设定的比步骤（3）较高的功率再次对光栅扫描区进行单面曝光；
（6）重复（4）和（5），使得调制强度能够足够大，能够在光谱仪上面对应的谐振峰处形成透射峰，则制成所需的强调制长周期光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法，其特征在于:所述强调制少模光纤光栅的折射率调制深度达到10-2量级。
5.根据权利要求1所述的一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法，其特征在于所述少模光纤为四模光纤，六模光纤，七模光纤，九模光纤，或十二模光纤。
6.根据权利要求1所述的一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法，其特征在于:所述强调制少模光纤光栅的纤芯模式是传导模。
7.用于权利要求1所述的一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法的装置，其特征在于包括二氧化碳激光器，少模光纤，光谱仪，宽带光源，CCD，场镜，熔接机，两个光纤夹具，单模光纤，和控制电脑；其中所述的两个光纤夹具分别被固定在两个三维位移平台上；少模光纤的两端被光纤夹具所固定，并分别用熔接机熔上两段单模光纤，其中一端接上宽带光源，另外一端接上光谱仪；控制电脑连接二氧化碳激光器，二氧化碳激光器经过场镜的聚焦产生激光在去除涂覆层的少模光纤上进行光栅的刻写，CCD放置在光栅刻写区域以便进行光栅形貌和位置的检测。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于二氧化碳激光器的波长为10.6微米。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述少模光纤去除了涂覆层部位。
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