CN113687474B - 一种涡旋光束与光纤高效耦合系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋光束与光纤耦合系统及方法，属于光通信技术领域。本系统包括测距装置，本方法基于该系统，利用测距装置测量发射端和接收端之间的距离，综合衍射展宽和大气湍流展宽，获得涡旋光束经空间传输后的扩展光斑半径，以确定可变焦透镜的焦距，使得空间涡旋光束经过透镜聚焦后，能与光纤涡旋模式的光斑尺寸匹配，提高耦合效率；同时，本方法采用拉盖尔‑高斯涡旋光束作为空间传输的涡旋光束，抛物型渐变少模光纤作为接收光纤，来获得大气和光纤两种介质中涡旋模式的匹配，本方法简便易行，实施装置构造简单，对不同传输距离下涡旋光束的光纤耦合适应性强，具有良好的应用前景。

Description

一种涡旋光束与光纤高效耦合系统及方法

技术领域

本发明涉及一种涡旋光束与光纤高效耦合系统及方法，属于光通信技术领域。

背景技术

在空-地激光通信中，空间光束经过大气传输后，通常需耦合进光纤中，经功率放大后再进行信号探测或陆地传输。因此，提高空间光束的光纤耦合效率在空-地通信系统构建中是非常重要的。目前的研究多集中于空间高斯光束与单模光纤的耦合，已形成较为成熟的技术和装置。但面对日益增长的大数据传输需求，单模光纤的传输容量已接近其非线性香农极限，继续提升的空间不大。相较于单模光纤只能传输单个激光模式(即基模高斯光束)，少模光纤可允许多个携带不同轨道角动量、相互正交的高阶激光模式在其中同时传输，能够大大提高通信容量，具有诱人的应用前景。涡旋光束正是一类具有螺旋相位波前、携带轨道角动量的特殊光束，因此用涡旋光束代替高斯光束，研究其与少模光纤的耦合，受到了学术界和产业界的关注。

在涡旋光束和少模光纤的耦合中，优选光束和光纤种类是至关重要的。涡旋光束种类多样，相对应的光场模式各异，而不同结构的少模光纤中支持传输的涡旋光场模式也不尽相同。在目前的报道中，拉盖尔-高斯涡旋光束和常规阶跃型少模光纤凭借易于构造、应用广泛的优点迅速受到了关注，在涡旋光场模式阶数较低时取得了较好的耦合效果。但不足之处在于两者的涡旋光场模式不能完全匹配，且匹配度随着模式阶数的增大而减小，使得高阶模的耦合效率明显下降。

此外，空间光束在大气中传输时，会受到衍射和大气湍流的影响，引起光斑扩展、光束漂移、模式串扰等现象。涡旋光束的光斑扩展程度随传输环境而异，但受光纤孔径的限制，光纤涡旋模的光斑尺寸却是一定的。因此，对于光斑扩展较大的涡旋光束，当采用固定焦距的透镜时，很可能无法将其完全聚焦到光纤中，造成耦合效率的下降。采用可变焦透镜代替固定焦距透镜，有助于涡旋光束和光纤涡旋模在光斑尺寸上的匹配，关键在于如何快速准确地确定可变焦透镜的最佳焦距，而当前还未有人提出过涡旋光束与光纤耦合时确定最佳焦距的具体方案。

发明内容

为了解决现有涡旋光束和光纤无法高效耦合的问题，本发明提供了一种涡旋光束与光纤高效耦合的系统及方法。

本发明的第一个目的在于提供一种涡旋光束与光纤高效耦合系统，所述系统包括：半导体激光器、螺旋相位板、可变焦透镜、少模光纤、测距装置和计算机；

所述测距装置用于测量光束发射端到接收端的距离；所述计算机分别与所述可变焦透镜和所述测距装置连接，用于采集所述测距装置的测量结果，在此基础上计算所述可变焦透镜的最佳焦距并控制调节所述可变焦透镜的焦距；所述半导体激光器的出射光束依次通过所述螺旋相位板、湍流大气、所述可变焦透镜，最终由所述少模光纤接收，实现涡旋光束与光纤的耦合。

可选的，所述少模光纤为抛物型渐变少模光纤。

可选的，所述测距装置包括：激光测距仪和测距标靶；所述激光测距仪发出的光束经所述测距标靶反射后，原路返回被所述激光测距仪接收；所述计算机与所述激光测距仪连接。

可选的，所述测距标靶的反射面和所述螺旋相位板的透射面位于同一竖直平面内，所述激光测距仪的出射面和所述可变焦透镜的入射面位于同一竖直平面内。

本发明的第二个目的在于提供一种涡旋光束与光纤高效耦合的方法，其特征在于，所述方法基于上述涡旋光束与光纤高效耦合系统实现，所述方法包括：

步骤一：利用测距装置测量发射端和接收端的距离；

步骤二：利用发射端和接收端之间的距离计算该传输距离下拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑半径；

步骤三：根据步骤二得出的拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑半径计算可变焦透镜的最佳焦距值；

步骤四：根据计算得到的最佳焦距值，调节可变焦透镜的焦距和抛物型渐变少模光纤到透镜的距离，使抛物型渐变少模光纤位于可变焦透镜的焦点处；

步骤五：半导体激光器的出射光束通过螺旋相位板转换成拉盖尔-高斯涡旋光束，经湍流大气进行空间传输后，由可变焦透镜接收并聚焦到抛物型渐变少模光纤中，实现涡旋光束与光纤的耦合。

可选的，所述可变焦透镜的最佳焦距f_opt为：

其中，w_z为拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑半径，w_f0为抛物型渐变少模光纤的基模束腰，λ为光束波长，p为径向阶数，l为角向阶数。

可选的，所述拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑半径w_z为：

其中，z为发射端到接收端的距离，w₀为拉盖尔-高斯涡旋光束基模束腰，κ为三维空间波数，Φ(κ)为湍流折射率起伏功率谱。

可选的，所述抛物型渐变少模光纤的基模束腰w_f0为：

其中，r₀为抛物型渐变少模光纤纤芯半径，n₀为光纤中轴线处折射率，β为光纤折射率色散参数。

可选的，所述拉盖尔-高斯涡旋光束w₀＝0.02m，λ＝1.55μm，p＝0，l＝1。

可选的，所述抛物型渐变少模光纤r₀＝30μm，n₀＝1.45，β＝0.01。

本发明有益效果是：

提供一种涡旋光束与光纤高效耦合系统，系统中包含半导体激光器、螺旋相位板、可变焦透镜、抛物型渐变少模光纤、测距装置和计算机；所述系统利用测距装置测量光束从发射端到接收端的距离；基于上述系统，本发明还提供一种涡旋光束与光纤高效耦合的方法，在实现涡旋光束和光纤的耦合时，利用测距装置测量发射端到接收端的距离，根据该测距结果，计算机可快速准确地计算出可变焦透镜在不同传输距离下的最佳焦距，并对焦距进行调节，从而提高涡旋光束与光纤涡旋模的光斑尺寸匹配度，降低了涡旋光束在空间传输时光斑扩展的不利影响，大大提升了耦合效率；同时，半导体激光器的出射光束通过螺旋相位板生成拉盖尔-高斯涡旋光束，接收光纤选择抛物型渐变少模光纤，两者之间可实现涡旋模式的完全匹配，进一步提升了耦合效率。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种可实现涡旋光束与光纤高效耦合的系统示意图。

图2是拉盖尔-高斯涡旋光束的光场分布图。

图3是抛物型渐变少模光纤的折射率分布图。

图4是光纤耦合效率随可变焦透镜焦距的变化图。

图5是不同传输距离下可变焦透镜最佳焦距的变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种涡旋光束与光纤高效耦合的系统，如图1所示，本系统包括半导体激光器1、螺旋相位板2、可变焦透镜3、抛物型渐变少模光纤4、测距标靶5、激光测距仪6和计算机7，其中器件1、2、5位于发射端，器件3、4、6、7位于接收端，器件7和器件3、器件6的控制端子通过数据线相连；测距标靶5的反射面和螺旋相位板2的透射面位于同一竖直平面内，激光测距仪6的出射面和可变焦透镜3的入射面位于同一竖直平面内。

利用激光测距仪6测量发射端和接收端之间的距离：测距仪6发出的高斯光束经测距标靶5反射后，原路返回被测距仪6接收，通过记录高斯光束一次往返所需的时间，乘以光速来实现测距。

计算机7采集到测距仪6输出的测距结果后，先计算该传输距离下拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑半径，在此基础上再计算可变焦透镜3的最佳焦距；

计算机7将最佳焦距值发送给可变焦透镜3的控制端子，对可变焦透镜3的焦距进行实时调节。相应的，抛物型渐变少模光纤4的位置也随之做出调整，使抛物型渐变少模光纤4始终位于可变焦透镜3的焦点处，以接收可变焦透镜3的聚焦光束。

半导体激光器1发出的高斯光束入射到螺旋相位板2上加载涡旋相位，出射光转换成拉盖尔-高斯涡旋光束。该涡旋光束经含有湍流的大气介质传输后，由可变焦透镜3接收并将其聚焦到抛物型渐变少模光纤4中，实现与光纤涡旋模的耦合。

实施例二：

本实施例提供一种涡旋光束与光纤高效耦合的方法。

涡旋光束种类多样，相应的涡旋模式光场分布各异，而不同纤芯折射率分布的少模光纤中可传输的涡旋模式也不尽相同，因此选择模式匹配度高的涡旋光束和少模光纤对于提高耦合效率是非常重要的。

拉盖尔-高斯涡旋光束是一种易于产生、性质优良、应用广泛的涡旋光束，同时具有径向阶数p和角向阶数l，适宜结合模分复用，提高通信容量。其携带的涡旋模式拉盖尔-高斯模如图2所示，光场强度呈环状分布，圆环个数为p+1个；沿圆周方向旋转一周，光场相位变化2π的l倍。

抛物型渐变少模光纤是一种包层折射率为定值，纤芯折射率呈抛物线型分布

的光纤，中轴线(r＝0)处折射率最大，如图3所示。利用亥姆霍兹方程求解该折射率分布下少模光纤的本征模，可知抛物型渐变少模光纤支持拉盖尔-高斯模的传输，用于耦合拉盖尔-高斯涡旋光束可实现涡旋模式的完全匹配。

由于涡旋光束在大气空间传输时会受到衍射和大气湍流的影响，光斑半径会发生扩展。对于基模束腰为w₀，波长为λ，径向阶数为p，角向阶数为l的拉盖尔-高斯涡旋光束，其传输到z距离处的光斑半径w_z可表示为

上式根号内第一项表征由衍射引起的光斑扩展，第二项表征为由大气湍流引起的光斑扩展，其中κ为三维空间波数，Φ(κ)为湍流折射率起伏功率谱，Φ(κ)是描述湍流的特征参数。在w_z中，衍射展宽占主导作用。另一方面，受光纤孔径的限制，光纤中涡旋模式的光斑尺寸是固定的。对于纤芯半径为r₀，中轴线处折射率为n₀，折射率色散参数为β的抛物型渐变光纤，光纤涡旋模的光斑半径w_f可表示为

其中w_f0为光纤基模束腰。

此时，若采用固定焦距的透镜将拉盖尔-高斯涡旋光束耦合到光纤中，w_z和w_f之间的不匹配会导致耦合效率的下降。

图4根据大气湍流折射率起伏功率谱

其中κ₀＝2π/L₀，κ_m＝5.92/l₀)，模拟了w₀＝0.02m，λ＝1.55μm，p＝0，l＝1的拉盖尔-高斯涡旋光束在湍流外尺度因子L₀＝1m，内尺度因子l₀＝1mm，折射率结构常数

的大气中传输z＝1000m后，用可变焦透镜耦合到r₀＝30μm，n₀＝1.45，β＝0.01的抛物型渐变光纤中，考虑模式串扰的存在，信号模耦合效率随透镜焦距的变化，焦距的优化选取有利于耦合效率的提高。

为选取最佳焦距，实现空间光束和光纤光斑的尺寸匹配，本实施例首先采用激光测距仪测量拉盖尔-高斯涡旋光束从发射端螺旋相位板传输到接收端可变焦透镜的距离，综合考虑衍射展宽和湍流展宽的影响，由公式(1)可得到拉盖尔-高斯涡旋光束在透镜入射面处的扩展光斑半径w_z。

然后利用几何光学中的光线传输矩阵法，可知光纤涡旋模从位于透镜焦点处的光纤端面背向传输至透镜入射面时，光斑半径由w_f变为

且

的表达式为：

若

则拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑经透镜聚焦后，能与光纤涡旋模的光斑尺寸匹配，由此得到可变焦透镜最佳焦距f_opt的表达式为

结合公式(1)和公式(2)，可算出f_opt的值。

图5给出了不同传输距离z下拉盖尔-高斯涡旋光束耦合进抛物型渐变少模光纤中所需的透镜最佳焦距，其中光束参数(w₀,λ,p,l)、光纤参数(r₀,n₀,β)与大气湍流参数

的选取与图4一致，可以看出随着z的增加，f_opt的值也需要相应增大。

根据测得的z算出f_opt后，通过可变焦透镜的控制端子对透镜焦距进行实时调节，同时相应改变光纤到透镜的距离，使光纤始终位于透镜焦点处。

此时，将半导体激光器发出的高斯光束通过螺旋相位板转换成拉盖尔-高斯涡旋光束，该涡旋光束在湍流大气空间中传输到达接收端时，由已调整为最佳状态的可变焦透镜将其聚焦到抛物型渐变少模光纤中，因涡旋模式和光斑尺寸均已实现匹配，故能实现涡旋光束与光纤的高效耦合。从图4也可以看出，在耦合系统调节到最佳状态时，耦合效率能够显著提高，具有很强的实用价值。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (7)

1.一种涡旋光束与光纤高效耦合系统，其特征在于，所述系统包括半导体激光器、螺旋相位板、可变焦透镜、少模光纤、测距装置和计算机；

所述测距装置用于测量光束发射端到接收端的距离；所述计算机分别与所述可变焦透镜和所述测距装置连接，用于采集所述测距装置的测量结果，在此基础上计算所述可变焦透镜的最佳焦距并控制调节所述可变焦透镜的焦距；所述半导体激光器的出射光束依次通过所述螺旋相位板、湍流大气、所述可变焦透镜，最终由所述少模光纤接收，实现涡旋光束与光纤的耦合；

所述少模光纤为抛物型渐变少模光纤；

所述可变焦透镜的最佳焦距f_opt为：

其中，w_z为拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑半径，w_f0为抛物型渐变少模光纤的基模束腰，λ为光束波长，p为径向阶数，l为角向阶数；

所述拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑半径w_z为：

其中，z为发射端到接收端的距离，w₀为拉盖尔-高斯涡旋光束的基模束腰，κ为三维空间波数，Φ(κ)为湍流折射率起伏功率谱。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测距装置包括：激光测距仪和测距标靶；所述激光测距仪发出的光束经所述测距标靶反射后，原路返回被所述激光测距仪接收；所述计算机与所述激光测距仪连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述测距标靶的反射面和所述螺旋相位板的透射面位于同一竖直平面内，所述激光测距仪的出射面和所述可变焦透镜的入射面位于同一竖直平面内。

4.一种涡旋光束与光纤高效耦合的方法，其特征在于，所述方法基于权利要求3所述的涡旋光束与光纤高效耦合系统实现，所述方法包括：

步骤一：利用测距装置测量发射端和接收端的距离；

步骤二：根据发射端和接收端之间的距离计算该传输距离下拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑半径；

步骤三：根据步骤二得出的拉盖尔-高斯涡旋光束的扩展光斑半径计算可变焦透镜的最佳焦距值；

步骤四：根据计算得到的最佳焦距值，调节可变焦透镜的焦距和抛物型渐变少模光纤到透镜的距离，使抛物型渐变少模光纤位于可变焦透镜的焦点处；

步骤五：半导体激光器的出射光束通过螺旋相位板转换成拉盖尔-高斯涡旋光束，经湍流大气进行空间传输后，由可变焦透镜接收并聚焦到抛物型渐变少模光纤中，实现涡旋光束与光纤的耦合。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述抛物型渐变少模光纤的基模束腰w_f0为：

其中，r₀为抛物型渐变少模光纤纤芯半径，n₀为光纤中轴线处折射率，β为光纤折射率色散参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述拉盖尔-高斯涡旋光束w₀＝0.02m，λ＝1.55μm，p＝0，l＝1。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述抛物型渐变少模光纤r₀＝30μm，n₀＝1.45，β＝0.01。

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