CN111722448A - 基于微结构光纤回音壁模式微腔的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器 - Google Patents

基于微结构光纤回音壁模式微腔的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器 Download PDF

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Abstract

基于微结构光纤回音壁模式(WGM)微腔的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器，所述生成器通过在微结构光纤WGM微腔角向引入周期性折射率调制，实现WGM向轨道角动量(OAM)模式的耦合。所述微结构光纤利用在太赫兹波段具有低传输损耗特性的环状烯烃共聚物(TOPAS)作为基底材料，靠近光纤外表面环形区域均匀排列有周期性空气孔形成角向光栅，以激发沿光纤轴向传输的OAM。微结构光纤的空气孔内填充BNHR液晶材料，通过调节外加磁场的强度改变BNHR液晶分子的指向，导致WGM分布区域有效折射率的变化，实现对OAM光束的工作频率和拓扑荷数的调谐。本发明具有集成度高、易于与功能材料集成、OAM模式特性调控灵活、调谐手段可拓展性强等优点。

Description

基于微结构光纤回音壁模式微腔的磁控可调谐太赫兹轨道角 动量光束生成器
技术领域
本发明涉及光通信领域的太赫兹轨道角动量(OrbitalAngular Momentum:OAM)光束发射技术领域，本发明结合回音壁(Whispering Galley Mode:WGM)微腔的角向光栅调制原理以及BNHR液晶分子的磁场调控指向偏转特性，构成一种磁控可调谐OAM光束生成器。
背景技术
随着移动通信技术的成熟和移动通信系统的不断发展，低频段频谱资源愈加紧缺，现有的通信频段和技术逐渐难以满足日益增长的业务需求。而太赫兹(THz)频段目前仍存在大量的空闲频谱资源，同时OAM光为通信系统提供了新的信息自由度。因此THz波与OAM光的结合将极大提高通信系统的容量和频谱利用率。
迄今为止，人们设计了多种OAM光束的产生方式，如空间光调制器(SLMs)、q-板、螺旋相位板、等离子体元表面和硅集成器件等已被用于自由空间的结构光束产生。近年来该领域的典型工作包括：2018年刘厚权等人设计了一种用于产生角动量叠加态的相位板，可对光场相位进行调制，并申请了国家发明专利(一种可产生光轨道角动量叠加态的相位板，公开号：CN108254943A，公开日：2018年7月6日)；同年清华大学孙长征等人设计了一种利用硅基波导产生光子轨道角动量信号的光发射器件，该器件利用光栅提取WGM实现OAM光束的垂直出射，并申请了国家发明专利(一种产生光子轨道角动量信号的光发射器件，公开号：CN108563041A，公开日：2018年9月21日)；2019年刘厚权等人设计了一种基于超表面偏振可控的光轨道角动量叠加态产生器。该器件由柱状偶极子阵列和二氧化硅基底组成，对入射平面光进行相位调制，使其变成轨道角动量叠加态光(一种基于超表面偏振可控的光轨道角动量叠加态产生器，公开号：CN110244474A，公开日：2019年9月17日)。但是以上OAM产生装置制作工艺复杂、成本高、稳定性较差，且难以实现对OAM光束特性的调谐。值得注意的是由于光纤通信系统具有长距离、大容量传输的优点，基于光纤器件的OAM光束产生技术也成为这一领域的新兴热点。2019年东北大学赵勇等人提出了一种在空心环状光纤上刻写长周期光纤光栅产生OAM并基于光学功能材料调谐谐振波长的方案(具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用，公开号：CN107462948B，授权公开日：2019年10月25日)。但是基于此类方法设计的OAM光束生成器的工作波长位于1.3～1.8μm的近红外波段，且生成OAM光束的拓扑荷数不可改变。因此如何实现集成化、成本低、模式特性灵活可调的THz波段OAM光束的产生是目前THz科学领域研究和相关应用中亟待解决的关键问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明将基于磁控的BNHR液晶材料的特性与基于角向光栅的WGM耦合机制相结合，实现一种谐振频率与拓扑荷数均可灵活调谐的OAM光束生成器，该器件具有集成度高、光束特性易于调谐、易于与功能材料集成、调谐方式灵活多样等优点。
本发明的技术方案
一种基于微结构光纤回音壁(Whispering Gallery Mode:WGM)微腔的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束(OrbitalAngular Momentum:OAM)生成器，所述微结构光纤选择在THz波段具有低损耗特性的烯烃共聚物(Trans-Obturator Post-Anal Sling:TOPAS)材料作为基底材料，微结构光纤靠近外表面环形区域均匀排列有周期性空气孔形成角向光栅，如图1所示，实现角向传输WGM向光纤轴向传输OAM的耦合。在空气孔内填充折射率高于基底材料折射率的BNHR液晶材料，利用外加磁场控制BNHR液晶分子的指向来调节空气孔内的折射率，当满足角相位匹配条件l＝m-gq时，将发生近微腔内表面传输OAM向沿光纤轴向传输OAM光束的耦合，其中l为生成的OAM光束阶数，m为WGM的阶数，q为光纤截面空气孔的数目，g为衍射级次。
当工作频率位于0.5THz频段时，光纤的半径为2200μm，其中周期性空气孔由内外两段弧(靠近光纤纤芯一侧的内弧ACB、靠近光纤外表面一侧的外弧EF)和两条线段(AE、BF)连接组成。周期性空气孔的截面尺寸如下：内弧ACB是以O为圆心、半径为r＝165μm的半圆，其中圆心O分布在光纤半径为2000μm的圆上，外弧EF是以点C为圆心、以CE为半径的弧，AE、BF相对于径向的夹角θ＝5°，EF间距为346μm，BF的径向投影距离为h＝100μm。
本发明主要针对WGM的TM模式，利用亥姆霍兹线圈形成外加匀强磁场，通过调节外加磁场的强度，BNHR液晶分子的指向会发生相应偏转，从而引起回音壁模式有效折射率的改变，因此通过控制外加磁场的强度可实现对OAM模式的工作频率及拓扑荷数的精确调谐。此外，通过移除外加磁场可使TOPAS光纤空气孔中的BNHR液晶分子的指向恢复到原始状态，因此该OAM光束生成器具有光束特性可重复调谐的特点。
值得注意的是，TOPAS光纤空气孔内除填充BNHR液晶材料外，还可以填充其它类型功能材料(如偶氮苯或温敏聚合物等)以实现基于光场或温度等的OAM光束特性调谐。
基于角向光栅调制WGM微腔的OAM光束产生原理：
利用在太赫兹波段具有低损耗特性的TOPAS光纤作为WGM微腔的载体产生沿光纤截面近圆周表面传输的WGM，在角向存在周期性折射率调制的情况下，可以从垂直光纤截面的方向接收生成的OAM光束。
生成的OAM光束阶数l由下式决定：
l＝m-gq (1)
其中，m为WGM的阶数，q为光纤截面空气孔的数目，g为衍射级次，可由下式确定：
Figure BDA0002597910310000031
其中，neff为WGM的有效折射率，所述OAM的谐振波长λ由WGM的相位匹配条件决定：
Figure BDA0002597910310000032
其中，n为WGM微腔内的有效折射率，R为WGM的有效半径。
本发明的优点和有益效果：
本发明所述的OAM产生系统通过调节外加磁场的强度可以实现对OAM的工作频率及拓扑荷数的调谐，并且通过移除外加磁场可使BNHR液晶分子指向恢复到初始状态，本发明提出的OAM光束生成器件具有集成度高、光束特性易于调谐、易于与功能材料集成、调谐方式灵活多样等优点。
附图说明
图1为TOPAS光纤截面结构示意图，对于0.5THz工作频段，TOPAS光纤半径为2200μm。右侧为光纤空气孔结构放大示意图，内弧ACB是以O为圆心、半径为r＝165μm的半圆，其中圆心O分布在光纤半径为2000μm的圆上，外弧EF是以点C为圆心、以CE为半径的弧，AE、BF相对于径向的夹角θ＝5°，EF间距为346μm，BF的径向投影距离为h＝100μm。
图2为BNHR液晶材料折射率分别为1.595，1.655，1.7的情况下，TOPAS光纤WGM微腔在0.5THz频段的透射频谱示意图。
图3为工作频率位于0.5THz频段时，拓扑荷数分别为l＝-5，-4，-3，-2，-1，+1，+2，+3，+4，+5的OAM工作频率随BNHR液晶材料折射率的变化。
图4为工作频率位于0.5THz频段时，在BNHR液晶材料折射率为1.595至1.7范围内变化时，拓扑荷数分别为l＝-5，-4，-3，-2，-1，+1，+2，+3，+4，+5的OAM的工作频率带宽。
图5为工作频率位于0.5THz频段时，拓扑荷数分别为l＝-5，-4，-3，-2，+1，+2，+3，+4的OAM向相邻高阶OAM转化时(Δl＝+1)所需的折射率改变量。
具体实施方式
一种基于微结构光纤回音壁(WGM)微腔的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束(OAM)生成器，该生成器是在微结构光纤接近外表面的环形区域内排布着周期性均匀分布的空气孔形成角光栅，TOPAS光纤截面结构如图1所示，导致近微腔表面传输WGM向垂直微腔传输OAM的耦合。空气孔由线段AE、线段BF、外弧EF和内弧ACB构成，内弧ACB是以点O为圆心、r为半径的半圆，BF、AE的径向投影均为h，BF、AE与径向的夹角均为θ，EF间距为w，外弧EF是以点C为圆心、CE为半径的弧。空气孔内填充BNHR(北京八亿时空液晶科技股份有限公司，中国)液晶材料，通过对外加磁场强度的控制可以实现对OAM的工作频率和拓扑荷数等特性的调谐。所用BNHR液晶材料在太赫兹频段的折射率随外加磁场的变化关系可参考Yang L etal.“Magnetically induced birefringence ofrandomly aligned liquid crystals inthe terahertz regime under a weak magnetic field”,Optical Materials Express,2016,6(9):2803-2811。根据该文献所述BNHR液晶材料在太赫兹频段的色散特性，本发明提出了工作于0.5THz频段的TOPAS光纤WGM微腔结构。
图2为BNHR液晶材料折射率分别为1.595，1.655，1.7的情况下，TOPAS光纤WGM微腔在0.5THz频段的透射频谱示意图。在外加磁场的作用下，BNHR液晶分子的指向会发生偏转，导致BNHR液晶材料的折射率发生改变，从而使WGM的谐振频率和WGM的阶数发生改变。从图2可以看到随着BNHR液晶材料折射率的增加，WGM的谐振频率逐渐减小，而且对于特定的谐振频率，WGM阶数能够发生改变。在WGM微腔内存在角向光栅时WGM会耦合至沿光纤轴向传输的OAM，因此通过磁场控制BNHR液晶材料的折射率能够实现对OAM光束的工作频率和拓扑荷数等特性的调谐。此外，移除外加磁场后BNHR液晶分子的指向会恢复到初始状态，因此本发明所提出的OAM模式特性调谐具有可重复性。
图3为工作频率位于0.5THz频段时，拓扑荷数分别为l＝-5，-4，-3，-2，-1，+1，+2，+3，+4，+5的OAM工作频率随BNHR液晶材料折射率的变化关系。由(3)式可知，WGM谐振频率位于0.5THz频段时TOPAS光纤的半径为2200μm，其中周期性空气孔由两段弧(内弧ACB、外弧EF)和两条线段(AE、BF)组成。周期性空气孔的截面尺寸如下：内弧ACB是以O为圆心、半径为r＝165μm的半圆，其中圆心O分布在光纤半径为2000μm的圆上，外弧EF是以点C为圆心、以CE为半径的弧，AE、BF相对于径向的夹角θ＝5°，EF间距为346μm，BF的径向投影距离为h＝100μm。由图3可以看到，在BNHR液晶材料折射率位于1.595-1.7范围内的情况下，随着BNHR液晶材料折射率的增加，OAM的谐振频率逐渐减小，因此可通过控制BNHR液晶材料的折射率实现对OAM工作频率的调谐。同时由图3中虚线可以看到在特定工作频率下，正、负阶数的OAM均可实现各自拓扑荷数的改变，其改变量为1阶。因此可通过控制BNHR液晶材料的折射率实现对正、负阶OAM拓扑荷数的1阶调谐。
图4为工作频率位于0.5THz频段时，当BNHR液晶材料折射率为1.595至1.7范围内变化时，拓扑荷数分别为l＝-5，-4，-3，-2，-1，+1，+2，+3，+4，+5的OAM的工作频率带宽。由该图可以看到随着拓扑荷数的增加，工作频率带宽逐渐增加，并且在OAM的正负阶数处存在跃变。
图5为工作频率位于0.5THz频段时，拓扑荷数分别为l＝-5，-4，-3，-2，+1，+2，+3，+4的OAM转换为相邻高阶OAM时(Δl＝+1)所需的折射率改变量。由该图可以看到折射率改变量随拓扑荷数大致呈线性变化。
以上讨论了在0.5THz频段的OAM调谐特性，这里利用外加磁场来控制BNHR液晶材料的折射率实现对OAM特性的调谐，此外还可以选择其它类型功能材料(如偶氮苯、温敏聚合物等)对光纤截面空气孔进行填充，实现基于光场、温度参量的OAM特性调谐，进一步通过优化功能材料的性能，还可以扩展OAM工作频率和拓扑荷数的调谐范围。此外，针对不同的OAM光束的工作频率波段，可根据公式(3)确定需要的器件尺寸，根据公式(1)和公式(2)计算OAM的拓扑荷数，对TOPAS光纤的结构进行优化设计。

Claims (6)

1.一种基于微结构光纤回音壁(Whispering Gallery Mode:WGM)微腔的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束(Orbital Angular Momentum:OAM)生成器，其特征在于微结构光纤靠近外表面环形区域均匀排列有周期性空气孔形成角向光栅，在空气孔内填充折射率高于基底材料折射率的BNHR液晶材料，利用外加磁场控制BNHR液晶分子的指向来调节空气孔内的折射率，当满足角相位匹配条件l＝m-gq时，将发生近微腔内表面传输OAM向沿光纤轴向传输OAM光束的耦合，其中l为生成的OAM光束阶数，m为WGM的阶数，q为光纤截面空气孔的数目，g为衍射级次。
2.根据权利要求1所述的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器，其特征在于所述光纤为以烯烃共聚物(Trans-Obturator Post-Anal Sling:TOPAS)为基底材料的光纤，工作频率位于0.5THz频段时，光纤的半径为2200μm，其中周期性空气孔由两段弧，即靠近光纤纤芯的一侧的内弧ACB和靠近光纤外表面的一侧的外弧EF、以及两段弧之间的两条线段AE和BF连接组成；周期性空气孔的截面尺寸如下：内弧ACB是以O为圆心、半径为r＝165μm的半圆，其中圆心O分布在光纤半径为2000μm的圆上，外弧EF是以点C为圆心、以CE为半径的弧，AE、BF相对于径向的夹角θ＝5°，EF间距为346μm，BF的径向投影距离为h＝100μm。
3.根据权利要求1所述的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器，其特征在于所述TOPAS光纤空气孔中填有BNHR液晶材料，在外加磁场的作用下BNHR液晶分子的指向将发生旋转，导致空气孔内折射率的改变，从而实现对OAM工作频率和拓扑荷数的调谐。
4.根据权利要求1所述的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器，其特征在于通过控制外加磁场的强度来控制BNHR液晶分子的指向，使WGM谐振频率的漂移超过1个自由光谱范围时，能够实现对所需频率下OAM光束拓扑荷数的调谐。
5.根据权利要求1所述的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器，其特征在于通过移除外加磁场可使TOPAS光纤空气孔中的BNHR液晶分子的指向恢复到原始状态，因此该OAM光束生成器具有光束特性可重复调谐的特点。
6.根据权利要求1所述的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器，其特征在于将TOPAS光纤空气孔内填充的BNHR液晶材料替换成偶氮苯或温敏聚合物功能材料，可以实现基于光场或温度参量的OAM光束工作频率和拓扑荷数调谐。
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