CN111061061A - 一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统，包括：光纤光源、透镜组和傅里叶变换透镜，光纤光源、透镜组和傅里叶变换透镜沿着光线入射方向依次设置，透镜组包括：一维微球面透镜阵列和柱透镜组，一维微球面透镜阵列由在横向空间均布的多个结构相同的微球面透镜组成，柱透镜组由负光焦度柱透镜和正光焦度柱透镜组成，光纤光源位于柱透镜组的对称平面上，且放置于微球面透镜的前焦面上，正光焦度柱透镜位于傅里叶透镜的前焦面上，负光焦度柱透镜和正光焦度柱透镜同光轴设置。通过采用一维微球面透镜阵列，负焦度柱透镜和正焦度柱透镜形成倒置望远镜型式的柱透镜组，实现了光束整形。本发明主要用于光学技术领域。

Description

一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统。
背景技术
信息领域，云计算、大数据、物联网、智慧城市、5G等与国计民生息息相关的产业发展迅猛，网络通信容量需求呈爆炸式增长。随着光纤容量逐渐逼近香农极限，光通信产业正在遭遇严重的容量危机，急需新的信道资源以继续支撑市场对通信容量的需求。在众多可以支撑通信容量增长的光束维度中，光学轨道角动量以其明显的优势成为最佳候选参量之一。理论上，光学轨道角动量复用能够为光通信系统提供无限多的复用信道资源。实现光学轨道角动量复用技术途径主要包括光束分束器、达曼光涡旋光栅、光学集成器件、光学灯笼、多平面转换技术以及坐标变换等理论与技术，目前实现光学轨道角动量复用的技术存在损耗高、系统复杂、稳定性差等缺陷，尚未真正解决低损耗问题。
在基于坐标变换的光学轨道角动量复用技术中，主要包括光束整形光学系统以及相位调制光学系统两方面。相位调制光学系统通过采用衍射元件或自由曲面光学元件可以实现转换要求，采用一套光学相位调制器件即可满足多通道光学轨道角动量光束的转换，受空间尺寸的限制约束较小。但光束整形光学系统既需要将单模光纤输出的高斯点光源整形成平面波，还需要将传播截面上将圆形平面波整形成长条形光斑。限制多通道光学轨道角动量空分复用技术走向实用的关键技术难题为：在多通道复用情况下，不同拓扑荷光学轨道角动量光束之间的横向空间(条形光斑的窄边方向)的距离小，导致整形光学系统在空间上实现排布的难度极大。这是分立的光束整形光学系统难以胜任的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本发明的目的采用如下技术方案实现：一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统，包括：光纤光源、透镜组和傅里叶变换透镜，所述光纤光源、透镜组和傅里叶变换透镜沿着光线入射方向依次设置，所述透镜组包括：一维微球面透镜阵列和柱透镜组，所述一维微球面透镜阵列由在横向空间均布的多个结构相同的微球面透镜组成，所述柱透镜组由负光焦度柱透镜和正光焦度柱透镜组成，所述光纤光源位于柱透镜组的对称平面上，且放置于微球面透镜的前焦面上，所述正光焦度柱透镜位于傅里叶透镜的前焦面上，所述负光焦度柱透镜和正光焦度柱透镜同光轴设置；
本阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统的参数满足：
Lideal＝2*π*a；
θ＝λ*ζ/(2*π*a)；
β＝|fA22/fA21|；
Δxζ＝λ*ζ*fB/(2*π*a)；
L＝D0*fB/fA11；
W＝L/β；
d＝λ*Δn*fB/(2*π*a)；
DA1≥fA11*(2*NA)；
DA1≤λ*Δn*fB/(2*π*a)；
1≤N≤96；
DA2≥N*λ*Δn*fB/(2*π*a)；
其中，Lideal表示为条形光斑被转换为拓扑荷为1的光学轨道角动量圆形光斑理想长度，a表示为输入参数，θ表示为拓扑荷为1的光束经傅里叶变换透镜会聚后与光轴的夹角，ζ表示为转换后光学轨道角动量的拓扑荷，β表示为经过柱透镜组扩束后纵向与横向光斑的长宽比，fA21表示为负光焦度柱透镜的焦距，fA21表示为正光焦度柱透镜的焦距，fA11表示为微球面透镜的焦距，Δxζ表示为拓扑荷为ζ的光学轨道角动量光束所对应的微球面透镜对称平面与傅里叶变换透镜光轴在横向空间偏离量，fB表示为傅里叶变换透镜的焦距，L表示为在傅里叶变换透镜后焦面上的光斑长度，W表示为在傅里叶变换透镜后焦面上的光斑宽度，D0表示为光纤光源输出光斑的束腰直径，d表示为相邻微球面透镜之间的中心间距，λ表示为光纤光源输出光的波长，Δn表示为相邻通道光学轨道角动量光束的拓扑荷之差，DA1表示为微球面透镜在横向空间的通光口径，NA表示为光纤光源的光纤数值孔径，N表示为微球面透镜的数量，DA2表示为柱透镜组在横向空间方向的通光口径。
进一步，所述微球面透镜与所述柱透镜组正交设置。
进一步，所述光纤光源为单模光纤光源。
本发明的有益效果是：本发明巧妙的采用一维微球面透镜阵列，负焦度柱透镜和正焦度柱透镜形成倒置望远镜型式的柱透镜组，所有通道的光源通过微球面透镜阵列和柱透镜组进行整形，真正实现了阵列式多通道光学轨道角动量复用的光束整形。由于采用了一维微球面透镜阵列，可以实现高精度一体化设计制造技术，高精密制造工艺保证了多通道复用时不同拓扑荷光学轨道角动量光束之间的位置关系，大幅降低了系统组装与调试的难度，实现了高度集成、小型化紧凑设计，有利于实现小型化阵列式光束整形器件设计并推动低损耗多通道光学轨道角动量复用技术走向实用。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明提供的一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统的基于X轴和Z轴平面的结构图；
图2是本发明提供的一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统的基于Y轴和Z轴平面的结构图；
图中的坐标箭头分别表示X,Y,Z轴。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1和图2，一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统，包括：单模光纤光源S、透镜组、傅里叶变换透镜B和相位调制器件Q；透镜组包括：一维微球面透镜阵列A1和柱透镜组；图1和图2中，1,2……N表示光束的多个通道。Z为光束传输方向，定义X-Z平面为横向空间平面，Y-Z为纵向空间平面，两者互为正交；其中，每一个微球面透镜表示为一个通道。
所述单模光纤光源S、透镜组和傅里叶变换透镜B沿着光线入射方向依次设置，所述透镜组包括：一维微球面透镜阵列A1和柱透镜组，所述柱透镜组由负光焦度柱透镜A21和正光焦度柱透镜A22组成，所述一维微球面透镜阵列A1由在横向空间均布的多个结构相同的微球面透镜A11组成，所述单模光纤光源S位于柱透镜组的对称平面上，且放置于微球面透镜A11的前焦面上，所述正光焦度柱透镜A22位于傅里叶透镜的前焦面上，所述负光焦度柱透镜A21和正光焦度柱透镜A22同光轴设置；相位调制器件Q设于傅里叶变换透镜B的后焦面处。单模光纤光源S用于输出高斯光束。高斯光束的横截面的振幅分布遵守高斯函数。所述柱透镜组用于将高斯光束形成高斯条形平面光束，一维微球面透镜阵列A1用于输出横向(即X轴方向)的高斯平面光束；柱透镜组用于输出纵向(即Y轴方向)的高斯平面光束。傅里叶变换透镜B用于将高斯条形平面光束会聚到后焦面上。相位调制器件Q用于将高斯条形平面光束转为圆环型光束，实现光学轨道角动量光束变换。相位调制器件Q通过采用衍射元件或自由曲面光学元件可以实现转换要求。
本阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统的参数满足：
Lideal＝2*π*a；
θ＝λ*ζ/(2*π*a)；
β＝|fA22/fA21|；
Δxζ＝λ*ζ*fB/(2*π*a)；
L＝D0*fB/fA11；
W＝L/β；
d＝λ*Δn*fB/(2*π*a)；
DA1≥fA11*(2*NA)；
DA1≤λ*Δn*fB/(2*π*a)；
1≤N≤96；
DA2≥N*λ*Δn*fB/(2*π*a)；
其中，Lideal表示为条形光斑被转换为拓扑荷为1的光学轨道角动量圆形光斑理想长度，a表示为输入参数，θ表示为拓扑荷为1的光束经傅里叶变换透镜B会聚后与光轴的夹角，ζ表示为转换后光学轨道角动量的拓扑荷，β表示为经过柱透镜组扩束后纵向与横向光斑的长宽比，fA21表示为负光焦度柱透镜A21的焦距，fA21表示为正光焦度柱透镜fA22的焦距，fA11表示为微球面透镜A11的焦距，Δxζ表示为拓扑荷为ζ的光学轨道角动量光束所对应的微球面透镜A11对称平面与傅里叶变换透镜B光轴在横向空间偏离量，fB表示为傅里叶变换透镜B的焦距，L表示为在傅里叶变换透镜B后焦面上的光斑长度，W表示为在傅里叶变换透镜B后焦面上的光斑宽度，D0表示为单模光纤光源S输出光斑的束腰直径，d表示为相邻微球面透镜A11之间的中心间距，λ表示为单模光纤光源S输出光的波长，Δn表示为相邻通道光学轨道角动量光束的拓扑荷之差，DA1表示为微球面透镜A11在横向空间的通光口径，NA表示为单模光纤光源S的光纤数值孔径，N表示为微球面透镜A11的数量，DA2表示为柱透镜组A2在横向空间方向的通光口径。为了方便描述，以上参数值至少部分符号以标号的形式在附图中体现，其中，L1为正焦度柱透镜A22到傅里叶变换透镜B的距离，该值等于傅里叶变换透镜B的焦距值fB。
为了实现将单模光纤光源S输出的圆形高斯光斑整形成长条形光斑，以供后续的相位调制器件Q进行光学轨道角动量的转换，首先采用透镜组将单模光纤光源S输出的高斯光斑整形成高斯条形平面波；然后通过傅里叶变换透镜B将条形平面波聚焦到其后焦面上。通过放置于傅里叶变换透镜B后焦面的相位调制器件Q将光斑转换为圆环型光斑，获得光学轨道角动量光束变换。根据变换原理可知，长条形平面波沿垂直于傅里叶变换透镜B光轴且在其横向方向平移时，将产生不同拓扑荷的光学轨道角动量光束。由于相邻拓扑荷之间的平移量非常小，难以采用分立的柱透镜组实现多通道不同拓扑荷光束的整形。因此，本发明在实现多通道复用时，采用一维微球面透镜阵列A1，利用在横向空间均布微球面透镜A11，其数量与复用通道的数量相同。不同拓扑荷通道光束单独通过一个微球面透镜A11，但共用柱透镜组A2。单模光纤光源S与微球面透镜A11组合相对于傅里叶变换透镜B的光轴在横向空间位置不同，对应不同拓扑荷的光学轨道角动量光束。这种解决了相邻拓扑荷通道光束在横向空间的密集排布问题，又通过集成制造降低了系统组装调试的难度。本发明创造性地通过对构成所述阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统的各个器件参数的限制，从而实现多通道拓扑荷光学轨道角动量光束的复用。
在一些实施例中，本发明实现了八通道和十六通道拓扑荷光学轨道角动量光束的复合。
对于八通道，具体参数如下：
1)波长λ：1.55μm；
2)数值孔径NA：0.14；
3)参数a：0.1mm；
4)相邻通道的拓扑荷差值Δn：2；
5)微球面透镜A11焦距fA11：0.7mm；
6)一维微球面透镜阵列A1的微球面透镜A11数量：8；
7)相邻微球面透镜A11的横向中心间距d：0.27mm；
8)微球面透镜A11横向通光口径DA1：0.196mm≤DA1≤0.27mm；
9)负焦度柱透镜A21的焦距fA21：-0.7mm；
10)正焦度柱透镜A22的焦距fA22：3.5mm；
11)傅里叶变换透镜B的焦距fB：55mm；
12)经过柱透镜组扩束后纵向与横向光斑的长宽比β：5；
13)拓扑荷为1的光束经傅里叶变换透镜B会聚后与光轴的夹角θ：2.47mrad；
14)经过傅里叶变换透镜B变换后，后焦面上光斑长度为L：0.71mm，宽度为W：0.14mm。
15)柱透镜组的横向口径DA2：≥4.35mm。
对于十六通道，具体参数如下：
1)波长λ：0.633μm；
2)数值孔径NA：0.1；
3)参数a：0.05mm；
4)相邻通道的拓扑荷差值Δn：1；
5)微球面透镜A11焦距fA11：0.75mm；
6)一维球面柱透镜阵列A1的微球面透镜A11数量：16；
7)相邻球面柱透镜A11的横向中心间距d：0.16mm；
8)微球面透镜A11横向通光口径DA1：0.15mm≤DA1≤0.16mm；
9)负焦度柱透镜A21焦距fA21：-0.75mm；
10)正焦度柱透镜A22焦距fA22：3.75mm；
11)傅里叶变换透镜B的焦距fL：80mm；
12)经过柱透镜组扩束后纵向与横向光斑的长宽比β：5；
13)拓扑荷为1的光束经傅里叶变换透镜B会聚后与光轴的夹角θ：2.01mrad；
14)经过傅里叶变换透镜B变换后，后焦面上光斑长度为L：0.38mm，宽度为W：0.08mm。
15)柱透镜组的横向口径DA2：≥2.58mm。
通过测试，无论是八通道还是十六通道均可以实现光学轨道角动量光束整形。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统，其特征在于：包括：光纤光源、透镜组和傅里叶变换透镜，所述光纤光源、透镜组和傅里叶变换透镜沿着光线入射方向依次设置，所述透镜组包括：一维微球面透镜阵列和柱透镜组，所述一维微球面透镜阵列由在横向空间均布的多个结构相同的微球面透镜组成，所述柱透镜组由负光焦度柱透镜和正光焦度柱透镜组成，所述光纤光源位于柱透镜组的对称平面上，且放置于微球面透镜的前焦面上，所述正光焦度柱透镜位于傅里叶透镜的前焦面上，所述负光焦度柱透镜和正光焦度柱透镜同光轴设置；
本阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统的参数满足：
Lideal＝2*π*a；
θ＝λ*ζ/(2*π*a)；
β＝|fA22/fA21|；
Δxζ＝λ*ζ*fB/(2*π*a)；
L＝D0*fB/fA11；
W＝L/β；
d＝λ*Δn*fB/(2*π*a)；
DA1≥fA11*(2*NA)；
DA1≤λ*Δn*fB/(2*π*a)；
1≤N≤96；
DA2≥N*λ*Δn*fB/(2*π*a)；
其中，Lideal表示为条形光斑被转换为拓扑荷为1的光学轨道角动量圆形光斑理想长度，a表示为输入参数，θ表示为拓扑荷为1的光束经傅里叶变换透镜会聚后与光轴的夹角，ζ表示为转换后光学轨道角动量的拓扑荷，β表示为经过柱透镜组扩束后纵向与横向光斑的长宽比，fA21表示为负光焦度柱透镜的焦距，fA21表示为正光焦度柱透镜的焦距，fA11表示为微球面透镜的焦距，Δxζ表示为拓扑荷为ζ的光学轨道角动量光束所对应的微球面透镜对称平面与傅里叶变换透镜光轴在横向空间偏离量，fB表示为傅里叶变换透镜的焦距，L表示为在傅里叶变换透镜后焦面上的光斑长度，W表示为在傅里叶变换透镜后焦面上的光斑宽度，D0表示为光纤光源输出光斑的束腰直径，d表示为相邻微球面透镜之间的中心间距，λ表示为光纤光源输出光的波长，Δn表示为相邻通道光学轨道角动量光束的拓扑荷之差，DA1表示为微球面透镜在横向空间的通光口径，NA表示为光纤光源的光纤数值孔径，N表示为微球面透镜的数量，DA2表示为柱透镜组在横向空间方向的通光口径。
2.根据权利要求1所述的一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统，其特征在于：所述微球面透镜与所述柱透镜组正交设置。
3.根据权利要求1所述的一种阵列式光学轨道角动量复用整形光学系统，其特征在于：所述光纤光源为单模光纤光源。
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