CN111509540A - 轨道角动量线性激光器及激光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于激光技术领域，提供了一种轨道角动量线性激光器及激光通信系统，包括：依次连接的泵浦源、波分复用器、第一少模倾斜光纤布拉格光栅、第一偏振控制器、少模掺饵光纤、第二偏振控制器及第二少模倾斜光纤布拉格光栅；第一少模倾斜光纤布拉格光栅和第二少模倾斜光纤布拉格光栅的同阶角动量谐振峰位置一致，用于实现同阶角动量模式的信号光的谐振。本发明实施例根据少模倾斜光纤布拉格光栅的特性，泵浦源发出的泵浦光在谐振腔内谐振激发出多个轨道角动量模式，通过调整偏振控制器实现多个角动量模式的任意一个角动量模式的选择输出，同一激光器可实现多阶OAM光束的选择输出。

Description

轨道角动量线性激光器及激光通信系统
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种轨道角动量线性激光器及激光通信系统。
背景技术
OAM(orbital angular momentum，轨道角动量)光束具有螺旋状波前相位、无穷多的轨道角动量值以及环状光场分布，这些特性使得OAM光束在微粒操控、光通信、天文探测、超分辨成像、物体探测、量子信息处理等领域具有重要的应用价值。
由于光纤兼容性好、制造工艺简单且操作灵活方便，现有技术中，通常采用长周期光纤光栅产生OAM光束，但长周期光纤光栅产生OAM光束单一设备只能产生一阶OAM光束，无法进行波长选择，限制了OAM光束的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种轨道角动量线性激光器及激光通信系统，以解决现有技术中长周期光纤光栅产生OAM光束单一设备只能产生一阶OAM光束，无法进行波长选择，限制了OAM光束的应用的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种轨道角动量线性激光器，包括：依次连接的泵浦源、波分复用器、第一少模倾斜光纤布拉格光栅、第一偏振控制器、少模掺饵光纤、第二偏振控制器及第二少模倾斜光纤布拉格光栅；
所述第一少模倾斜光纤布拉格光栅和所述第二少模倾斜光纤布拉格光栅的同阶角动量谐振峰位置一致，用于实现同阶角动量模式的信号光的谐振。
所述泵浦源发出的泵浦光在谐振腔内谐振激发出多阶轨道角动量模式，通过调节所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器对所述多阶轨道角动量模式进行选择，实现单一轨道角动量信号光的输出。
可选的，所述第一少模倾斜光纤布拉格光栅和所述第二少模倾斜光纤布拉格光栅为在少模环芯光纤上刻写的布拉格光栅。
可选的，所述的轨道角动量线性激光器，还包括：泵浦保护器；
所述泵浦保护器连接在所述泵浦源与所述波分复用器之间。
可选的，所述波分复用器为980nm/1550nm波分复用器。
可选的，所述泵浦源的泵浦波长为980nm。
可选的，所述少模掺饵光纤为支持五个模式稳定传输的增益光纤。
可选的，所述的轨道角动量线性激光器，还包括：可调衰减器和准直器；
所述可调衰减器连接在所述波分复用器的第一端与所述准直器之间；
所述泵浦源与所述波分复用器的第二端连接，所述第一少模倾斜光纤布拉格光栅与所述波分复用器的第三端连接。
可选的，轨道角动量线性激光器，还包括：物镜、非偏振分束器及CCD探测器；
所述物镜设置在所述第二少模倾斜光纤布拉格光栅的输出端；
所述非偏振分束器设置在所述物镜与所述CCD探测器之间。
可选的，所述多阶轨道角动量模式的信号光的波长分别为1554.45nm、1552.78nm和1549.84nm。
本发明实施例的第二方面提供了一种轨道角动量激光通信系统装置，包括如本发明实施例第一方面提供的轨道角动量线性激光器。
本发明实施例提供了一种轨道角动量线性激光器及激光通信系统，包括：依次连接的泵浦源、波分复用器、第一少模倾斜光纤布拉格光栅、第一偏振控制器、少模掺饵光纤、第二偏振控制器及第二少模倾斜光纤布拉格光栅；第一少模倾斜光纤布拉格光栅和第二少模倾斜光纤布拉格光栅的同阶角动量谐振峰位置一致，用于实现同阶角动量模式的信号光的谐振。本发明实施例根据少模倾斜光纤布拉格光栅的特性，泵浦源发出的泵浦光在谐振腔内谐振激发出多个轨道角动量模式，通过调整偏振控制器实现多个角动量模式的任意一个角动量模式的选择输出，同一激光器可实现多阶OAM光束的选择输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种轨道角动量线性激光器的系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的又一种轨道角动量线性激光器的系统结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参考图1，本发明实施提供了一种轨道角动量线性激光器，包括：依次连接的泵浦源101、波分复用器102、第一少模倾斜光纤布拉格光栅103、第一偏振控制器104、少模掺饵光纤105、第二偏振控制器106及第二少模倾斜光纤布拉格光栅107；
所述第一少模倾斜光纤布拉格光栅103和所述第二少模倾斜光纤布拉格光栅107的同阶角动量谐振峰位置一致，用于实现同阶角动量模式的信号光的谐振。
所述泵浦源101发出的泵浦光在谐振腔内谐振激发出多阶轨道角动量模式，通过调节所述第一偏振控制器104和所述第二偏振控制器106对所述多阶轨道角动量模式进行选择，实现单一轨道角动量信号光的输出。
少模光纤(few mode fiber，FMF)支持多个模式在纤芯中稳定传输，且具有相对较低的色散和损耗。光纤光栅是一种波长选择型全光纤器件，其纤芯折射率在轴向具有周期性分布的特点。普通光纤利用光栅写入技术改变纤芯内部的折射率，产生周期性的分布，从而形成光纤光栅。少模倾斜光纤布拉格光栅(few mode fiber Bragg grating，FM-FBG)是在少模光纤上刻写的倾斜光纤布拉格光栅，是一种反射型器件，能够在布拉格波长上反射特定高阶模式，光栅波矢方向与光纤轴向成一定的角度，通过控制成栅平面与光纤轴向的夹角，可以将基模转化为特定的高阶模式，在少模倾斜光纤布拉格光栅的反射端获取目标高阶模式。
本发明实施例利用少模倾斜光纤布拉格光栅的梳状滤波特性作为激光腔内的梳状滤波器实现波长的选择，利用少模倾斜光纤布拉格光栅的模式耦合特性及激光腔内的偏振烧孔效应和空间烧孔效应相结合，产生多阶OAM光束。同时通过第一偏振控制器104和第二偏振控制器106对OAM光束的偏振态进行调节，可实现同阶相反旋性OAM光束的分离，从而实现单一OAM光束的输出。
一些实施例中，所述波分复用器102为980nm/1550nm波分复用器102。
一些实施例中，所述泵浦源101的泵浦波长为980nm。
一些实施例中，所述少模掺饵光纤105为支持五个模式稳定传输的增益光纤。
一些实施例中，所述多个轨道角动量模式的信号光的波长可以分别为1554.45nm、1552.78nm和1549.84nm。
结合具体实施例对上述实施例进行分析。
泵浦源101为980nm激光二极管，增益介质为30cm长的少模掺铒光纤，吸收系数为20dB/m@980nm。980/1550nm的波分复用器102将光路分成上下两路，上光路通过激光腔内谐振输出OAM激光光束，下光路用于产生与OAM光束同频同相的高斯光束，并与OAM光束干涉，高斯光束与激光腔前向输出激光具有相同的频率及确定的相位关系，能够与谐振腔输出的OAM光束产生干涉。
泵浦光通过波分复用器102的980nm端口透过第一少模倾斜光纤布拉格光栅，对少模掺铒光纤105进行泵浦，铒离子受激辐射将980nm泵浦光转化为1550nm波段的基模光，出射的纤芯基模经第二少模倾斜光纤布拉格光栅107在四个谐振波长耦合至对应的背向传输的纤芯模式。四个谐振波长分别为：1556.11nm(基模)、1554.45nm(1阶)、1552.78nm(2阶)、1549.84nm(3阶)，对应的四个模式分别为LP01、LP11、LP21、LP31。由于少模掺铒光纤105支持LP01、LP11、LP21、LP02、LP31五个纤芯模式传输，因此在这四个谐振波长处激发的模式均可在激光腔中进行谐振。在第二少模倾斜光纤布拉格光栅107的四个不同谐振波长处所激发的模式在经过第一少模倾斜光纤布拉格光栅103时均会发生模式耦合和波长转换，这一过程十分复杂，包含了丰富的波长选择与模式竞争过程。
激光器输出的OAM信号光的情况本质上是由激光腔内的增益与损耗共同决定的，可通过调节增益少模掺饵光纤105的长度、泵浦光功率以及偏振控制器，控制谐振腔内的增益与损耗，从而实现不同阶的OAM信号光的输出。同时通过偏振控制器对输出激光的偏振态进行调节，实现同阶相反旋性OAM光束的分离。偏振控制器还用于调节激光腔内的损耗，进而控制OAM光束的振幅和相位。
一些实施例中，所述第一少模倾斜光纤布拉格光栅103和所述第二少模倾斜光纤布拉格光栅107为在少模环芯光纤上刻写的布拉格光栅。
本发明实施例在环芯光纤上中直接产生OAM光束，无需熔接，降低了插入损耗，适于基于光纤的远距离OAM光束的传输。
一些实施例中，参考图2，轨道角动量线性激光器还可以包括：泵浦保护器108。
所述泵浦保护器108连接在所述泵浦源101与所述波分复用器102之间。
泵浦保护器108用于防止背向反射光对泵浦源101造成损害。
一些实施例中，参考图2，轨道角动量线性激光器还可以包括：可调衰减器109和准直器110；
所述可调衰减器109连接在所述波分复用器102的第一端与所述准直器110之间；
所述泵浦源101与所述波分复用器102的第二端连接，所述第一少模倾斜光纤布拉格光栅103与所述波分复用器102的第三端连接。
可调衰减器109用于调节高斯光束的光强，从而调节干涉效果。准直器110用于调节高斯光束的位置，从而调节干涉效果。
一些实施例中，参考图2，轨道角动量线性激光器还可以包括：物镜111、非偏振分束器112及CCD探测器113；
所述物镜111设置在所述第二少模倾斜光纤布拉格光栅107的输出端；
所述非偏振分束器112设置在所述物镜111与所述CCD探测器113之间。
物镜111用于对第二少模倾斜光纤布拉格光栅107输出的OAM光束进行放大，CCD探测器113用于观察OAM光束的阶次和旋向，从而对OAM光束的特性进行分析。还可以通过光谱仪记录OAM光束的光谱，进而根据CCD探测器113和光谱仪探测到的OAM光束指导轨道角动量线性激光器的增益和损耗调整，从而得到目标OAM光束。
本发明实施例还提供了一种轨道角动量激光通信系统，包括上述任一实施例提供的轨道角动量线性激光器。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轨道角动量线性激光器，其特征在于，包括：依次连接的泵浦源、波分复用器、第一少模倾斜光纤布拉格光栅、第一偏振控制器、少模掺饵光纤、第二偏振控制器及第二少模倾斜光纤布拉格光栅；
所述第一少模倾斜光纤布拉格光栅和所述第二少模倾斜光纤布拉格光栅的同阶角动量谐振峰位置一致，用于实现同阶角动量模式的信号光的谐振；
所述泵浦源发出的泵浦光在谐振腔内谐振激发出多阶轨道角动量模式，通过调节所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器对所述多个轨道角动量模式进行选择，实现单一轨道角动量信号光的输出。
2.如权利要求1所述的轨道角动量线性激光器，其特征在于，所述第一少模倾斜光纤布拉格光栅和所述第二少模倾斜光纤布拉格光栅为在少模环芯光纤上刻写的布拉格光栅。
3.如权利要求1所述的轨道角动量线性激光器，其特征在于，还包括：泵浦保护器；
所述泵浦保护器连接在所述泵浦源与所述波分复用器之间。
4.如权利要求1所述的轨道角动量线性激光器，其特征在于，所述波分复用器为980nm/1550nm波分复用器。
5.如权利要求1所述的轨道角动量线性激光器，其特征在于，所述泵浦源的泵浦波长为980nm。
6.如权利要求5所述的轨道角动量线性激光器，其特征在于，所述少模掺饵光纤为支持五个模式稳定传输的增益光纤。
7.如权利要求1所述的轨道角动量线性激光器，其特征在于，还包括：可调衰减器和准直器；
所述可调衰减器连接在所述波分复用器的第一端与所述准直器之间；
所述泵浦源与所述波分复用器的第二端连接，所述第一少模倾斜光纤布拉格光栅与所述波分复用器的第三端连接。
8.如权利要求1所述的轨道角动量线性激光器，其特征在于，还包括：物镜、非偏振分束器及CCD探测器；
所述物镜设置在所述第二少模倾斜光纤布拉格光栅的输出端；
所述非偏振分束器设置在所述物镜与所述CCD探测器之间。
9.如权利要求1至8任一项所述的轨道角动量线性激光器，其特征在于，所述多阶轨道角动量模式的信号光的波长分别为1554.45nm、1552.78nm和1549.84nm。
10.一种轨道角动量激光通信系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的轨道角动量线性激光器。
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