CN111025454B - 光纤模式转换器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤光学与纳米光学技术领域，公开了一种光纤模式转换器件，包括：光纤和纳米天线阵列，所述纳米天线阵列嵌入在所述光纤的内部并分布在所述光纤的横截面上，所述纳米天线阵列能将不同的所述光纤模式进行相互转换。该光纤模式转换器件具有能够实现任意两个模式间的相互转换、自由度高以及鲁棒性能好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光学与纳米光学技术领域，特别是涉及一种光纤模式转换器件。
背景技术
光纤作为一种廉价的光波导，可以将光场束缚在其中，传输信息或者能量，广泛应用于高速网络通信、工业加工制造、医疗美容和国防军事等领域。作为圆柱形光波导，在光纤中传输的光场在横向会呈现出特定的光场分布，称为模式。对于普通阶跃型折射率分布光纤，随着其数值孔径的增加，光纤中会依次能容纳LP01、LP11、LP21等线偏振模式(或HE11、TM01、TE01等矢量模式)，光纤中稳定传输的光场均为这些模式的线性组合。
由于基模(LP01)的模场分布集中、发散角小及容易控制纯度，在光纤通信系统及光纤传感等应用中通常都使用基模光传输。不过，在一些场合高阶模式也拥有很高的应用价值，比如模分复用系统和多模光纤放大器。光纤激光震荡器直接输出的一般都是基模，因此，实际中通常需要将基模转换成为特定的高阶模式，目前，实现光纤模式转换的方法有光纤定向耦合器法、空间光调制法和光子灯笼法。光纤定向耦合器法通过两根靠得很近的光纤，在满足等效折射率匹配的情况下，一根光纤的基模光可以耦合到另一根光纤的高阶模中去，此方法无法控制光的偏振，难以特定地激发矢量模或者涡旋模；基于空间光调制的方法主要是在光纤入射端放置空间光调制器，对入射高斯光束进行相位或强度调制，实现耦合到光纤中特定的模式上，此种方案基于分立的光学元件，体积较大、使用不便；光子灯笼法采用多根不同的单模光纤绝热拉锥并与少模光纤熔接，不过其无法控制光场的偏振，无法转换出特定矢量模，且模式纯度不是很高。实际的激光器系统或者光纤传输系统通常有着全光纤化以及高鲁棒性的要求，同时还需要有高的设计自由度，即任意两个模式间都可以实现相互转换，而目前的光纤模式转换器件无法同时满足这些要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种光纤模式转换器件，以至少解决现有技术中的光纤模式转换器件存在任意两个模式间无法实现相互转换、自由度低以及鲁棒性能差的技术问题之一。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光纤模式转换器件，包括：光纤和纳米天线阵列，所述纳米天线阵列嵌入在所述光纤的内部并分布在所述光纤的横截面上，所述纳米天线阵列能将不同的所述光纤模式进行相互转换。
其中，所述光纤包括纤芯和包裹在所述纤芯的外围的包层，所述纳米天线阵列的中间区域嵌设在所述纤芯的内部。
其中，所述纳米天线阵列包括矩形硅柱阵列；所述光纤包括石英光纤。
其中，所述矩形硅柱阵列的规模设为25×25。
其中，所述光纤的入射模式与所述光纤的出射模式能进行相互转换。
其中，所述纳米天线阵列的制造材质包括非晶硅。
其中，所述光纤包括单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。
其中，所述纳米天线阵列排布在所述光纤的横截面上。
其中，相邻的所述纳米天线阵列的中心距为0.5微米，所述石英光纤的纤芯直径为10微米，所述石英光纤的工作波长为1010纳米。
(三)有益效果
本发明提供的光纤模式转换器件，与现有技术相比，具有如下优点：
本申请采用了嵌入式的天线阵列设计，直接将纳米天线阵列嵌入到光纤中，保证了光纤模式转换器件的全光纤化，有助于提升光纤模式转换器件的紧凑化和可靠性。本申请的光纤模式转换器件具有自由度高、可以实现任意两个光纤模式间的相互转换，本申请不仅可以用来特定地激发某一个本征模，还可以适用于激发多个本征模的合成态，只要合理设计纳米天线阵列，使得入射模场通过之后的相位或偏振与出射光场模式相匹配即可。可见，本申请的光纤模式转换器件可以实现任意不同光纤模式间的相互转换，具有较高的自由度和高鲁棒性的优点。
附图说明
图1为本发明的实施例的光纤模式转换器件的整体结构示意图；
图2为本发明的实施例的光纤模式转换器件的将LP01模式转换为LP11模式的情况下的纳米天线阵列的几何形状排布示意图；
图3为图2中的入射模场的电场矢量分布图；
图4为图2中的出射模场的电场矢量分布图；
图5为本发明的实施例的光纤模式转换器件的将LP11模式转换为LP01模式的情况下的纳米天线阵列的几何形状排布示意图；
图6为图5的入射模场的电场矢量分布图；
图7为图5的出射模场的电场矢量分布图；
图8为本发明的实施例的光纤模式转换器件的将LP01模式转换为LP21模式的情况下的纳米天线阵列的几何形状排布示意图；
图9为图8中的入射模场的电场矢量分布图；
图10为图8中的出射模场的电场矢量分布图；
图11为本发明的实施例的光纤模式转换器件的将LP01模式转换为TM01模式的情况下的纳米天线阵列的几何形状排布示意图；
图12为图11中的入射模场的电场矢量分布图；
图13为图11中的出射模场的电场矢量分布图；
图14为本发明的实施例的光纤模式转换器件的将LP01模式转换为线偏振基阶涡旋模式的情况下的纳米天线阵列的几何形状排布示意图；
图15为图14中的入射模场的电场矢量分布图；
图16为图14中的出射模场的电场矢量分布图；
图17为图2、图5、图8、图11以及图14的五种实施例中转换效率随工作波长的变化曲线的示意图；
图18为本发明的实施例的光纤模式转换器件的整体结构的侧视图；
图19为本发明的实施例的光纤模式转换器件的整体结构的俯视结构示意图。
附图标记：
1：光纤；11：纤芯；12：包层；2：纳米天线阵列。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1至图19所示，图中示意性地显示了该光纤模式转换器件包括光纤1和纳米天线阵列2。
在本申请的实施例中，该纳米天线阵列2嵌入在该光纤1的内部并分布在该光纤1的横截面上，该纳米天线阵列2能将不同的该光纤模式进行相互转换。具体地，本申请采用了嵌入式的天线阵列设计，直接将纳米天线阵列2嵌入到光纤1中，保证了光纤模式转换器件的全光纤化，有助于提升光纤模式转换器件的紧凑化和可靠性。本申请的光纤模式转换器件具有自由度高、可以实现任意两个光纤模式间的相互转换，本申请不仅可以用来特定地激发某一个本征模，还可以适用于激发多个本征模的合成态，只要合理设计纳米天线阵列2，使得入射模场通过之后的相位或偏振与出射光场模式相匹配即可。可见，本申请的光纤模式转换器件可以实现任意不同光纤模式间的相互转换，具有较高的自由度和高鲁棒性的优点。
在本申请的一个优选的实施例中，该光纤1包括纤芯11和包裹在该纤芯11的外围的包层12，该纳米天线阵列2的中间区域嵌设在该纤芯11的内部，该纳米天线阵列2的边缘露至在该纤芯11的外部。
在本申请的一个优选的实施例中，该纳米天线阵列2包括矩形硅柱阵列。该光纤1包括石英光纤。
在本申请的一个优选的实施例中，该矩形硅柱阵列的规模设为25×25。需要说明的是，该矩形硅柱阵列的规模并不仅仅地局限于该实施例所列举的规模，其还可以根据实际的需要进行相应地调整。
在本申请的一个优选的实施例中，该光纤1的入射模式与该光纤1的出射模式能进行相互转换。具体地，该光纤1的入射模式为A模式，出射为B模式，反之，入射模式为B模式，出射模式为A模式。
在本申请的一个优选的实施例中，该纳米天线阵列2的制造材质包括非晶硅。具体地，该纳米天线阵列2可以采用非晶硅等具有较大折射率差并且在工作波段接近透明的介质材料制成。
在本申请的一个优选的实施例中，该光纤1包括单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。
在本申请的一个优选的实施例中，该纳米天线阵列2排布在光纤1的横截面上。
在本申请的一个优选的实施例中，相邻的该纳米天线阵列2的中心距为0.5微米，该石英光纤的纤芯直径为10微米，该石英光纤的工作波长为1010纳米。
该纤芯11的整体呈柱状。
如图1至图4所示，图中示意性地显示了阵列中左半边纤芯11的硅柱大小为0.42×0.17×0.8μm(微米)，右半边纤芯11的硅柱大小为0.17×0.42×0.8μm(微米)。纤芯11的折射率为1.4545，包层12的折射率为1.45073。
如图5至图7所示，阵列中左半边硅柱以及右半边硅柱的结构和大小均与图2至图4中的左半边的纤芯11的硅柱以及右半边的纤芯11的硅柱的结构和大小均相同。
如图8至图10所示，图中示意性地显示了该硅柱大小均为0.42×0.17×0.8μm(微米)，四个象限区域内的转角分别为45°或-45°。纤芯11的折射率为1.46，包层12的折射率为1.45073。
如图11至图13所示，图中示意性地显示了该硅柱大小均为0.42×0.17×0.8μm(微米)，其转角随位置的不同而不同，沿环向变化，环向一圈天线转角从0°逐渐变化到180°。纤芯11的折射率为1.4545，包层12的折射率为1.45073。
如图14至图16所示，图中示意性地显示了阵列中硅柱的高度均为0.8微米，硅柱的长度和宽度都会随位置的不同而不同。纤芯11的折射率为1.4545，包层12的折射率为1.45073。
需要说明的是，超构表面(纳米天线阵列2)是一种新兴的光学概念，指的是在基底表面制作具有深亚波长特征的微结构，通常由介质或金属天线阵列构成，阵列中的每一个天线的特征都可以单独设计，总的效果是让入射光场的相位、振幅或偏振经过超构表面后会在空间上重新分布，类似于全息成像。纳米天线阵列2的设计自由度极高，几乎可以获得任意的出射光状态。
本发明提出将超构表面内嵌入光纤1中(如图1所示)，使入射光模式经过超构表面后其横向相位和偏振分别与另一光纤模式精确匹配，从而实现能量从一个模式转换到另一个模式。通过改变纳米天线阵列2中的每个天线的几何参数，可以实现不同模式的相互转换。下面给出几种转换示例。
作为一种示例，采用矩形硅柱阵列作为超构表面，光纤1采用石英光纤，其可行的制作方法为：首先在光纤预制棒中打孔并沉积非晶硅，然后，将光纤预制棒拉制成光纤1，最后，用精密切割设备将光纤切片并将其和普通光纤熔接在一起。不失一般性，以下实施例中，我们采用如下设定：硅柱阵列规模设为25×25，相邻天线中心距为0.5微米，光纤1的纤芯11的直径为10微米，工作波长为1010纳米。
如图2所示，图中示意性地显示了纳米天线阵列2中的左半边硅柱和右半边硅柱相互垂直，这样的设置使得入射LP01模式光经纳米天线阵列2调制后左右两边的光场相位正好相反，该相位分别与LP11模式相匹配。因此，光纤1的左端注入LP01模式(如图3所示)，右端出射转换为LP11模式(如图4所示)，模式纯度(目标转换模式的能量与出射光总能量之比)达到97％，转换效率(目标转换模式的能量与入射模式能量之比)为53.9％。反过来，若入射为LP11模式，则出射模式可转换为LP01基模(如图7所示)，其纯度为95％，转换效率为53.4％。
进一步地，改变纳米天线阵列2的形式(如图8所示)，其中，硅柱大小均相同，不过四个象限区域内的转角不同，这使得对于入射基模光(如图9所示)在四个象限区域内将分别产生0、π、0、π的相对相位延迟，经此调制后相位分别与LP21模式匹配，此时，出射光被转换为了LP21模式(如图10所示)，其纯度为95.4％，转换效率为54.7％。
为说明其对偏振的调制能力，我们采取大小相同但转角各不相同的硅柱(如图11所示)，入射x线偏基模，出射光场偏振跟天线转角有关，因此，不同位置的偏振不同，形成一个环状分布，与TM01模式匹配，因而，可以耦合进入矢量模式TM01中(如图13所示)。其纯度为94.8％，转换效率为64.4％。
作为另一种示例，采用大小均不相同的硅柱(如图14所示)，使出射光场产生沿环向0–2π的相对相位延迟，从而将入射线偏振基模转换为线偏振基阶涡旋模(如图16所示)，其纯度为98.5％，转换效率为41.2％。
综上所述，基于上述实施例的内容，本发明实施例至少具有如下优点：
采用了嵌入式的天线阵列设计，直接将介质纳米天线嵌入到光纤1中，保证了光纤模式转换器件的全光纤化，有助于提升模式转换器件的紧凑化和可靠性。
设计自由度高，原理上可以实现任意两个光纤模式间的相互转换，比如本征矢量模、线偏振模、涡旋模等，不仅可以用来特定地激发某一个本征模，还可以适用于激发多个本征模的合成态，只要合理设计纳米天线阵列2，使得入射模场通过之后相位或偏振与出射光场模式匹配即可。
基于纳米天线阵列2的空间调制，不仅可以实现相位调制，还可以轻易地实现偏振态的调制，只要改变纳米天线阵列2中的每个硅柱的转角即可，从而可以任意控制出射模式的偏振态以及转化为任意的矢量模式，这是任何其他光纤模式转换器件都无法实现的。
此外，相比于现存的空间光调制法和光子灯笼法等方法，本发明是基于与目标模式的完全相位和偏振匹配，因此，转换模式纯度更高。
该光纤模式转换器件具有左右对称结构，无论正向传输的光还是反向传输的光均可以进行模式转换。
该光纤模式转换器件的工作带宽很大，其转换效率可随工作波长的变化绘制于图17中，以LP01模式转换为TM01模式为例，其在1010～1090nm(纳米)范围内均有大于53％的转换效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光纤模式转换器件，其特征在于，包括：
光纤和纳米天线阵列，所述纳米天线阵列嵌入在所述光纤的内部并分布在所述光纤的横截面上，所述纳米天线阵列嵌设在纤芯的内部，所述纳米天线阵列通过相位、偏振匹配的设计，能够实现入射模式和出射模式的相位、偏振的精确匹配，能将不同的所述光纤模式进行相互转换。
2.根据权利要求1所述的光纤模式转换器件，其特征在于，所述光纤包括纤芯和包裹在所述纤芯的外围的包层，所述纳米天线阵列的中间区域嵌设在所述纤芯的内部。
3.根据权利要求2所述的光纤模式转换器件，其特征在于，所述纳米天线阵列包括矩形硅柱阵列；所述光纤包括石英光纤。
4.根据权利要求3所述的光纤模式转换器件，其特征在于，所述矩形硅柱阵列的规模设为25×25。
5.根据权利要求1所述的光纤模式转换器件，其特征在于，所述光纤的入射模式与所述光纤的出射模式能进行相互转换。
6.根据权利要求1所述的光纤模式转换器件，其特征在于，所述纳米天线阵列的制造材质包括非晶硅。
7.根据权利要求1所述的光纤模式转换器件，其特征在于，所述光纤包括单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。
8.根据权利要求3所述的光纤模式转换器件，其特征在于，所述纳米天线阵列排布在所述光纤的横截面上。
9.根据权利要求8所述的光纤模式转换器件，其特征在于，相邻的所述纳米天线阵列的中心距为0.5微米，所述石英光纤的纤芯直径为10微米，所述石英光纤的工作波长为1010纳米。
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2019
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