CN112698447B - 一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，包括平行间隔设置的两块金属薄膜、设置于两块金属薄膜之间的衬底、固定设置于其中一块金属薄膜靠近另一块金属薄膜一面的超表面阵列，两块金属薄膜均设置有用于透光的通孔，两个通孔分别与单模光纤阵列、涡旋光纤的一端面对准。本发明中可由涡旋光纤输入多路平行的高斯光束，经超表面阵列的变换得到同轴的复合涡旋光束，当然由于光路的可逆性，也可以实现复合涡旋光束变换得到高斯光束，因此实现了涡旋光束与高斯光束之间的复用解复用。

Description

一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置。

背景技术

自1992年Allen等人发现具有螺旋相位波前因子exp(ilθ)的光束携带角动量以来，轨道角动量光束，或称之为涡旋光迅速成为光学领域的研究热点之一。涡旋光束在光学捕获，光学成像，量子信息技术，光通信等领域都具有广泛的应用。其中，在光通信领域，利用涡旋光束将有希望发展出下一代光通信技术。由于传统的以波分复用等为主的光通信技术逐渐趋向容量瓶颈，利用涡旋光能够开辟光的空间维度，进而通过空分复用提高光通信的容量。然而，到目前为止，为进行涡旋光束的大容量通信，仍然需要解决一些问题。这些问题主要包括涡旋光束的复用解复用，适用涡旋光空分复用的光纤，低复杂度的通信信号处理算法等。其中关键核心所在便是设计集成低损耗的复用解复用器件。

为解决上述技术问题，中国专利CN110989088B公开了一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，包括：第一透镜、第二透镜，所述第一透镜的焦平面与多芯光纤的一端面重合；所述第二透镜包括基底、超表面透镜阵列；所述超表面透镜阵列位于所述基底的一侧面上，所述超表面透镜阵列包括第一数量的超表面透镜，所述超表面透镜的焦平面与单芯光纤阵列的一端面重合；第一透镜用于将所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束准直为具有不同出射角的平行光束，所述第二透镜用于将多个平行光束分别聚焦耦合至不同的单芯光纤，实现空分解复用功能。但是这样的方案不能实现涡旋光束与高斯光束之间的转换。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种可实现涡旋光束与高斯光束转化的折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，包括平行间隔设置的两块金属薄膜、设置于两块金属薄膜之间的衬底、固定设置于其中一块金属薄膜靠近另一块金属薄膜一面的超表面阵列，两块金属薄膜均设置有用于透光的通孔，两个通孔分别与单模光纤阵列、涡旋光纤的一端面对准。

本发明中可由涡旋光纤输入多路平行的高斯光束，经超表面阵列的变换得到同轴的复合涡旋光束，当然由于光路的可逆性，也可以实现复合涡旋光束变换得到高斯光束，因此实现了涡旋光束与高斯光束之间的复用解复用。

优选地，上述的超表面阵列呈直线阵列。

优选地，上述的超表面阵列中的一个超表面为透射型超表面，其余均为反射型超表面，所述透射型超表面与相靠近的金属薄膜上的通孔配合。

优选地，上述的超表面阵列包括依次直线排列的第一反射型超表面、第二反射型超表面、第三反射型超表面、第四透射型超表面。其中，第一反射型超表面与第二反射型超表面用于对光束进行整形，使输入的高斯光束转化为负复合的矩形平面光束，当然在此过程中，可先采用GS算法对第一反射型超表面的光束进行优化，使其输出特定的光强，然后调整第二反射型超表面使其相位与第一反射型超表面相位匹配。

优选地，上述的两块金属薄膜分别为第一金属薄膜和第二金属薄膜，所述超表面阵列设置于所述第二金属薄膜的一面上，所述第一金属薄膜上设置的通孔为第一通孔，所述第二金属薄膜上设置的通孔为第二通孔，所述第一通孔与涡旋光纤的一端面对准，所述第二通孔与单模光纤阵列的一端面对准。

优选地，上述的第四透射型超表面与所述第二通孔配合。经过第四透射型超表面的光束通过通孔顺利进入单模光纤阵列。

优选地，上述的多个超表面之间设置有与所述超表面厚度相等的填充介质。以将多个超表面互相分隔，并使得对各个超表面进行定位，避免其发生移动，造成光束间的传导发生错位。

优选地，上述的衬底为熔融石英衬底，所述超表面阵列沉积在熔融石英衬底的表面，用于在装置中反射光束，另外在金属薄膜中间的熔融石英衬底一侧可以沉积超表面，另一侧不用超表面，可以直接通过金属薄膜进行反射，使得整个装置更加紧凑，集成度更高。

优选地，上述的反射型超表面的相位分布满足以下条件：

其中，P为相位分布，k为光的波矢，f为坐标变换所需的距离，u、v、x、y为坐标参数。

优选地，上述的坐标变换满足以下条件：

其中，a，b为坐标变换的可调参数，u、v、x、y为坐标参数。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明中通过在熔融石英基底一侧沉积超表面，另一侧的金属薄膜可作为反射面，入射的高斯光束进行在超表面与金属薄膜之间调制反射，转化为矩形平面波光束，再通过坐标变换将矩形平面波光束转化为涡旋光束，实现了高斯光束转化为涡旋光束；当然由光路的可逆性，其也可以实现涡旋光束转化为高斯光束；另外，在变换过程中，复用解复用的能量效率不会随着输入光路数量的改变而改变，避免变换过程的能量损失。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示为一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，包括平行间隔设置的两块金属薄膜、设置于两块金属薄膜之间的衬底4、固定设置于其中一块金属薄膜靠近另一块金属薄膜一面的超表面阵列5，两块金属薄膜均设置有用于透光的通孔，两个通孔分别与单模光纤阵列7、涡旋光纤1的一端面对准。

本实施例中的超表面阵列5呈直线阵列。

本实施例中的超表面阵列5中的一个超表面为透射型超表面，其余均为反射型超表面，所述透射型超表面与相靠近的金属薄膜上的通孔配合。

本实施例中的超表面阵列5包括依次直线排列的第一反射型超表面51、第二反射型超表面52、第三反射型超表面53、第四透射型超表面54。其中，第一反射型超表面51与第二反射型超表面52用于对光束进行整形，使输入的高斯光束转化为负复合的矩形平面光束，当然在此过程中，可先采用GS算法对第一反射型超表面51的光束进行优化，使其输出特定的光强，然后调整第二反射型超表面52使其相位与第一反射型超表面51相位匹配。

本实施例中的两块金属薄膜分别为第一金属薄膜2和第二金属薄膜3，所述超表面阵列5设置于所述第二金属薄膜3的一面上，所述第一金属薄膜2上设置的通孔为第一通孔21，所述第二金属薄膜3上设置的通孔为第二通孔31，所述第一通孔21与涡旋光纤1的一端面对准，所述第二通孔31与单模光纤阵列7的一端面对准。通过金属薄膜对超表面反射过来的光束进行再反射，传导至下一个超表面，同时通孔的设置是为了输入与输出光束。

本实施例中的第四透射型超表面54与所述第二通孔31配合。经过第四透射型超表面54的光束通过第二通孔31顺利进入单模光纤阵列7。

本实施例中的多个超表面之间设置有与所述超表面厚度相等的填充介质6。以将多个超表面互相分隔。

本实施例中的衬底4为熔融石英衬底，所述超表面阵列5沉积在熔融石英衬底的表面，用于在装置中反射光束，另外在金属薄中间的熔融石英衬底一侧可以沉积超表面，另一侧不用超表面，可以直接通过金属薄膜进行反射，使得整个装置更加紧凑，集成度更高。

本实施例中的反射型超表面的相位分布满足以下条件：

其中，P为相位分布，k为光的波矢，f为坐标变换所需的距离，u、v、x、y为坐标参数，优选地，f为第一金属薄膜2与第二金属薄膜3之间距离的两倍，以满足光束在衬底4内的反射条件。

其中，本实施例采用数值积分的方法得到P的近似解，因此第四透射型超表面54的光场分布表示为：

本实施例中的坐标变换满足以下条件：

其中，a，b为坐标变换的可调参数，u、v、x、y为坐标参数。

本发明在具体实施时，由涡旋光纤1入射的高斯光束经过衬底4到达第一反射型超表面51，经第一反射型超表面51与衬底4、第二反射型超表面52，调制得到矩形平面波光束，然后再经衬底4反射到第三反射型超表面53、第四透射型超表面54，进行坐标变换得到涡旋光束输出到单模光纤阵列7中。整个装置集成度较高，且实现了涡旋光束与高斯光束之间的复用解复用。

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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，其特征在于，包括平行间隔设置的两块金属薄膜、设置于两块金属薄膜之间的衬底(4)、固定设置于其中一块金属薄膜靠近另一块金属薄膜一面的超表面阵列(5)，两块金属薄膜均设置有用于透光的通孔，两个通孔分别与单模光纤阵列(7)、涡旋光纤(1)的一端面对准；所述超表面阵列(5)中的一个超表面为透射型超表面，其余均为反射型超表面，所述透射型超表面与相靠近的金属薄膜上的通孔配合；所述反射型超表面的相位分布满足以下条件：

其中，P为相位分布，k为光的波矢，f为坐标变换所需的距离，u、v、x、y为坐标参数。

2.根据权利要求1所述的一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，其特征在于，所述超表面阵列(5)呈直线阵列。

3.根据权利要求2所述的一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，其特征在于，所述超表面阵列(5)包括依次直线排列的第一反射型超表面(51)、第二反射型超表面(52)、第三反射型超表面(53)、第四透射型超表面(54)。

4.根据权利要求3所述的一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，其特征在于，所述两块金属薄膜分别为第一金属薄膜(2)和第二金属薄膜(3)，所述超表面阵列(5)设置于所述第二金属薄膜(3)的一面上，所述第一金属薄膜(2)上设置的通孔为第一通孔(21)，所述第二金属薄膜(3)上设置的通孔为第二通孔(31)，所述第一通孔(21)与涡旋光纤(1)的一端面对准，所述第二通孔(31)与单模光纤阵列(7)的一端面对准。

5.根据权利要求4所述的一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，其特征在于，所述第四透射型超表面(54)与所述第二通孔(31)配合。

6.根据权利要求5所述的一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，其特征在于，所述超表面阵列(5)中的多个超表面之间设置有与超表面厚度相等的填充介质(6)。

7.根据权利要求6所述的一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，其特征在于，所述衬底(4)为熔融石英衬底，所述超表面阵列(5)沉积在熔融石英衬底的表面。

8.根据权利要求7所述的一种折叠超表面单片集成涡旋光束复用解复用装置，其特征在于，所述坐标变换满足以下条件：

其中，a，b为坐标变换的可调参数，u、v、x、y为坐标参数。

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