CN113866884A - 一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：它由输入涡旋光纤1、模式转换拉锥区2、低折射率套管3、异质多芯光纤4、扇入扇出过渡区5、多孔毛细管6、双包层过渡光纤7、单模光纤8、光泵浦放大器9、泵浦光输入端口10和输出涡旋光纤11组成。本发明可用于载有轨道角动量的光纤涡旋信号高增益放大，可广泛用于基于涡旋模式复用的光纤通信系统中。

Description

一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置

技术领域

本发明涉及的是一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，可用于载有轨道角动量的光纤涡旋信号高增益放大，可广泛用于基于涡旋模式复用的光纤通信系统中，属于光纤通信技术领域。

背景技术

随着第五代移动通信技术逐渐商用化，物联网智慧城市的不断发展，基于单模光纤的传统通信系统已经无法满足日益增长的通信带宽和信道容量需求。研究者逐步开发出波分复用、偏振复用和空分复用等多种通信方法来扩展信道容量。近几年来，科研人员又提出了一种基于涡旋光的通信系统，其理论上使用光的轨道角动量传输和承载信息能极大的提高频谱效率，并且可以与传统的复用方法叠加，从而突破带宽限制。在此背景下，针对涡旋光信号的光放大器成为了市场的新需求。

光波除了携带动量外，还可以携带角动量。光子的角动量由光束通过空间传输后发生的旋转所产生，偏振矢量的旋转产生了自旋角动量(Spin Angular Monmentum,SAM)；光的波前旋转产生了轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)。光的自旋角动量对应着光的偏振态，而光的轨道角动量则对应着光的空间模式。轨道角动量复用并不依赖于波长或者偏振态，这说明OAM复用可以兼容于波分复用系统和偏振复用系统，具有巨大的应用潜力。

目前对于如何产生载有轨道角动量的涡旋模式，各国研究者提出了多种方案，主要分为自由空间产生和光纤中产生两类。在自由空间中，研究者通常使用模数转换器，如螺旋相位版、相位全息图、超材料、柱透镜对和q玻片等。光纤法则使用光纤光栅、螺旋光纤光栅、光纤耦合器、光纤端面微加工等方法。目前市场上还未有针对涡旋光放大的专用器件，因此，一种同时放大多阶涡旋光束的波长不敏感、偏振不敏感、且不产生附加模式相关损耗的涡旋光场放大器正成为市场的共性需求。

光子灯笼是近十几年兴起的一种波导器件，能实现单模光纤与多模光纤之间模式低损耗耦合功能，是一种理想的光纤通信模分复用器件。光子灯笼连接单个多模波导与多个单模波导，一般通过低折射率毛细套管约束多根异质单模光纤熔融拉锥制备。光子灯笼是一种互易性器件，它既能实现将光纤的基模转换至特定高阶模式的模式复用器功能，也能实现将高阶模式解调并耦合至对应单模端口的光纤模式解复用器功能。光子灯笼的器件性能与光波长不敏感，使得其在光纤通信系统中有巨大的应用前景，它代表的光纤模式复用可以与传统的时分复用、波分复用、空分复用、偏振复用同时进行，以倍数形式扩展通信带宽与信道数量，是5G通信技术的重要组成部分。本发明专利的重点是如何改造光子灯笼使其能将光纤中的涡旋模式转换为标准高斯光束，从而利用泵浦合束器进行信号放大。

目前对于载有轨道角动量的涡旋模式放大，一般采用有源掺杂光纤或非线性效应。2016年，Y.Li等人实验和仿真研究了2um轨道角动量光束在Ho:YAG晶体棒中放大现象。2015年Q.Kang等人提出了一种空心掺铒环形芯光纤，实现了在C波段内实现了12个轨道角动量模式的均衡增益。2017年，N.Wang等人采用一段5m长的铒掺杂光纤使得OAM＝1和2的模式分别获得22.1db和16.7db的增益。另外有一些研究者使用非线性效应对涡旋光进行放大，例如使用受激拉曼散射和光声相互作用。

目前市场上出现的涡旋光放大方案均是直接对多阶模式进行放大，各个涡旋信道获得的增益不可单独控制，同时也会不可避免地带来附加模式相关损耗。

本发明公开了一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，它可以将涡旋光纤中传导的多阶涡旋光束转化为单模光纤中的高斯光束，使用泵浦合束器对其信号放大，再将放大后的信号转化为涡旋光纤中的各阶涡旋光束。与现有的其他技术相比，基于异质多芯光纤涡旋光放大装置采用全光纤连接，集成度高，可独立控制信道的增益，另外由于整个结构均满足绝热转换条件，具有低串扰、低插入损耗的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，它由输入涡旋光纤1、模式转换拉锥区2、低折射率套管3、异质多芯光纤4、扇入扇出过渡区5、多孔毛细管6、双包层过渡光纤7、单模光纤8、光泵浦放大器9、泵浦光输入端口10和输出涡旋光纤11组成。所述系统中由输入涡旋光纤1注入系统的涡旋光被注入至模式转换拉锥区2，由于该结构符合绝热转换和涡旋相位匹配条件，输入的各阶涡旋光束被转换为异质多芯光纤4中单一纤芯中的传导模式，异质多芯光纤中的传导模式注入扇入扇出过渡区5输出至对应双包层过渡光纤7中，该扇入扇出过渡区由多孔毛细管6中插入特制的双包层过渡光纤7拉锥加工制成，可将异质多芯光纤4中每个纤芯导模转换至输出光纤中，双包层过渡光纤7中的信号光传输至模场匹配的单模光纤8后，由泵浦光输入端口10输入泵浦光在光泵浦放大器9中与信号光合束，实现反向泵浦信号放大；该放大后的信号光同样经过扇入扇出和模式转换，最终输出至输出涡旋光纤11。

本发明专利实现涡旋光束至高斯光束转换的关键在于模式转换拉锥区的设计，该区域可以将输入涡旋光束中载有不同阶轨道角动量的光波进行分离，并且转换分别转换至各输出信道中，各个阶数的轨道角动量光束和各输出信道中的高斯光束一一对应。

本发明专利的核心是异质多芯光纤和低折射率套管装配拉锥成的模式转换拉锥区。现以附图2的局部结构来说明，模式转换拉锥区的工作原理。图中的光纤输入端为可容纳多阶涡旋光束的少模光纤，其可传导的本征模式是光纤基模或光纤高阶模式，而光纤中的涡旋模式可由光纤各阶模式组合而成。下式是涡旋模式与光纤各阶模式之间的表达式，

公式中OAM代表光纤中带有轨道角动量的高阶涡旋光束模式，模式的拓扑荷数和阶数由表达式的第一下标确定，第二下标代表了模式径向的波节数量，模式上标代表了其偏振态。公式右端的HE、EH、TE、TM均为光纤的矢量模式，其上标even和odd代表了模式的对称性，下标定义与涡旋模式相同。公式中的虚数符号i代表了模式之间存在π/2的相位差值。该表达式说明光纤中的矢量模式与涡旋模式是可互相转换的。

异质多芯光纤端的模式与普通的光纤模式稍有不同，传统意义上，我们认为多芯光纤中各纤芯均为各自的基模，但在本发明专利中，我们需要整体考虑多芯光纤的超模特征。在该异质多芯光纤中最多有两个纤芯具有相同的结构参数，他们的基模之间会产生相互耦合，形成了一种能量分布于两个纤芯的超模，其能量分布仍为基模高斯形状，但两个相同纤芯中的波前相位则有所区别，如果两个纤芯中基模相位相同，我们称之为对称超模，而相位相差π的另一个超模，我们称之为反对称超模。对称超模和反对称超模呈近简并状态，其有效折射率非常接近。如果同时存在功率相等的对称超模和反对称超模，两者间的相位将决定多芯光纤中的光场分布，如果两者的相位相同或相位差为π则分别激发其中某一芯的高斯基模，并可以由扇入扇出器件导出至单根单模光纤，如果两者的相位差不是0或者π，则多芯光纤中两个纤芯均会产生功率不等的高斯基模，无法经扇入扇出器输出至同一根单模光纤中。

所述的异质多芯光纤的纤芯数量为N，N为整数，N≥3，纤芯位置呈圆周对称分布。

所述的异质多芯光纤的部分纤芯的折射率、直径或折射率剖面类型不同。其中具有简并的涡旋模式的所对应的纤芯参数相同，如OAM＝±1模式所对应的两个纤芯参数相同，无模式简并的模式所对应纤芯是独特的，如输出少模光纤的LP01或LP02模式对应的纤芯参数。

所述的异质多芯光纤中纤芯的折射率剖面是阶跃型、抛物线型、高斯型。

所述的模式转换拉锥区由特殊结构的异质多芯光纤插入低折射率套管中拉锥制成，其拉锥结构满足绝热转换和涡旋相位匹配条件，可以将单个涡旋模式能量转换至异质多芯光纤中的一个纤芯的导模中，并且两者具有对应关系。

所述的该输入涡旋光纤是少模光纤、环形芯光纤或螺旋少模光纤等。

所述的异质多芯光纤的包层结构是单包层或者多包层，在模式转换拉锥区末端收缩后的某一包层边界形成的光纤结构与后端输出少模光纤实现模场面积与数值孔径的匹配。

模式转换的基本原理为缓变结构中的绝热变换，即在一个形状参数和折射率剖面缓慢变化的光波导中，入射端的某个模式能无损地转换至输出端的某个同阶模式。整个拉锥区满足绝热耦合条件，如下所示

公式中的符号下标j和l分别代表导行基模和其他模式，β为局域模式的传输常数，Ψ为局域模式的归一化电磁场分布，k＝2π/λ为电磁波的波数，z为拉锥结构的轴向坐标，ρ为包层的收缩率，n为锥区的折射率分布函数，A为拉锥结构的横截面。该公式定义了一个与拉锥长度和形状表达式ρ(z)相关的判断条件，它可以衡量模式转换拉锥区的理论性能。当模式转换拉锥区满足绝热耦合条件时，输入端的光纤矢量模式可无损的转换至异质多芯光纤中的超模中。具有不同对称性的矢量模式可以对应转换至对称超模或反对称超模中，具体的对应关系和光纤结构设计相关。

除绝热转换条件外，在模式转换拉锥区中模式之间的相位关系也决定了涡旋光至高斯光束的转化效率。将异质多芯光纤插入低折射率套管中，并将其拉锥整个过程中输入模式至输出模式的转化过程由局域耦合模方程决定。在此过程中，单个输入涡旋光束可分解为矢量模式的even分量和具有π/2相位差值的odd模式。这两个模式在锥区的演化过程和结果略有不同，一般来说光纤的even模式可演化至异质多芯光纤端的对称超模，而光纤的odd模式可演化至异质多芯光纤的反对称超模。如果两种演化后的超模之间存在非0或非π相位差，则会同时激发两个纤芯中的高斯基模，无法构成涡旋光束与单个纤芯中高斯基模的一一对应关系。

模式转换拉锥区中模式演化所带来的模式相位变换主要分两部分，一部分称为动力学相位，它由锥区中各剖面本征模式的传播常数沿着拉锥长度和形状表达式ρ(z)积分结果确定。另一部分相位则可以被称为几何相位，它由拉锥区中各模式的能量分布演化过程决定，而与锥区的拉锥长度无关。通过计算几何相位和动力学相位，我们可以获得模式转换拉锥区的最优长度和形状，以实现输入odd模式和even模式之间累计相位差为π/2，这样与组成涡旋光束的odd模式和even模式的初始相位差叠加，获得0或π相位差，这样单个涡旋模式在异质多芯末端仅可激发纤芯的高斯基模，通过扇入扇出器件后，仅激发单根单模光纤中的基模光束。

根据相关理论可知，±1阶涡旋和±2阶涡旋所对应的超模演化过程的在模式转换拉锥区中获得的模式累计相移并不相同，为同时使两者达到相同π/2相位差，必须要进行针对性的光纤设计，简单的锥长控制或改变锥区锥形无法同时获得相同π/2相位差，该特点也是制约涡旋光子灯笼能否向更高阶数扩展的决定性因素。根据附图模式转换拉锥区中各本征模式的传播常数随收缩率变化图可知，演化得到±1阶涡旋光的对称超模和反对称超模的传播常数曲线分别是由上至下第二条曲线和第三条曲线，两者在锥区中段存在一定量的传播常数差，此项为两者动力学相位差值。代表±2阶涡旋光的对称超模和反对称超模的传播常数曲线分别是由上至下第四条曲线和第五条曲线，两者的动力学相位差值与±1阶涡旋光的并不相同。这说明±2阶涡旋光和±1阶涡旋光在此过程中获得的动力学相位并不相同，简单地增加光纤的锥长或改变锥区锥形并不能使得两者相同。对此，本发明专利设计了几种结构的异质多芯光纤来辅助实现锥区不同阶模式的均等累计相位差，例如在异质多芯光纤的相同纤芯中增加气孔、单独控制芯间距、在两者中增加小芯径的纤芯、控制中央纤芯和边缘纤芯的距离等方法。通过以上方法，可精确调节不同阶数涡旋光在锥区中获得的相位差，通过这个方法支持涡旋阶数大于2的涡旋光束解调才可能被实现，普通的光子灯笼无法确保多个涡旋模式能同时被解调，即无法建立输入高斯基模与输出涡旋态之间一一对应的关系。

所述的异质多芯光纤中纤芯之间存在气孔、小芯径纤芯结构，目的是控制其对称超模与反对称超模在模式转化拉锥区中的相位差值。超模之间的相位差值与纤芯的端面结构有着显著的关系，如果更改纤芯距离、增加纤芯气孔或增加辅助纤芯可使得超模间在锥区的演化不同，其相位差值也不同。

一个典型的涡旋光场放大装置可以根据泵浦光的强度自由的调节各个涡旋信道的放大增益。本发明专利的泵浦光可由激光二极管产生，泵浦波长包括976nm、830nm、1480nm等，输入的泵浦光波在光泵浦放大器中与由单模光纤输入的信号交汇，在稀土离子的作用下进行受激放大，放大功率与泵浦光波强度呈正比。

涡旋光场放大装置中各阶涡旋分量与异质多芯光纤中纤芯的对应关系如下：其中0阶的涡旋光束可以转换至异质多芯光纤中基模传播常数最大的纤芯中，±1阶涡旋光束可以转换异质多芯光纤中基模传播常数次大的两个相同纤芯中，±2阶涡旋光束可以转换异质多芯光纤中基模传播常数第三大的两个相同纤芯中，0阶涡旋光束的径向1阶光束则转换异质多芯光纤中基模传播常数最小的纤芯中。

所述的模式转换拉锥区由特殊结构的异质多芯光纤插入低折射率套管中拉锥制成，其拉锥结构满足绝热转换和涡旋相位匹配条件，可以将单个涡旋模式能量转换至异质多芯光纤中单个纤芯的导模中，并且两者具有对应关系。如果输入状态含有多个涡旋模式则各模式分量能独立的耦合至对应输出纤芯。如果输入光波的各涡旋分量之间存在相干性，则各输出端口的光波同样具有相干性。

在优化设计模式转换拉锥区基础上，通过适配与异质多芯光纤的扇入扇出器件将各纤芯的能量分别导入至单模光纤中。其中扇入扇出器件由多孔毛细管和多种双包层过渡光纤构成，双包层过渡光纤的一段与单模光纤适配，而另一端插入多孔毛细管后拉锥其剖面收缩后的结果与异质多芯光纤匹配。与传统的光纤束形式的光子灯笼相比，基于异质多芯光纤的涡旋光子灯笼增加了集成度和器件的稳定性，使得多芯少模信号同时放大成为可能。否则以七芯六模为例，共计需要将42根不同单模光纤插入低折射率掺氟管中制备光子灯笼，并且要控制其相位差值，这显然是不可能的，只有使用多根异质多芯光纤并配合扇入扇出器件，才能实现一次拉锥同时放大多组分的涡旋光波，实现空分复用和模分复用的同时性信号放大。

本发明专利提出的一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，该器件基于模式的绝热转换原理设计，与输入模场的偏振态、波长无关，是一种偏振无关、宽光谱器件。器件的光谱适用范围由器件中异质多芯光纤各纤芯的单模截止波长确定，一般来说该器件的工作波长最大可达300nm以上，分布于光纤通信的C+L波段周围。该器件使用异质多芯光纤替代传统光子灯笼中多根单模光纤插管式工艺，使得该器件能简单地扩展用于七芯光纤空分复用或更多芯空分复用的涡旋信号放大系统中。该器件克服了传统涡旋光束放大中存在的附件模式相关损耗、无法单独调节某个信道增益等问题，可用于光纤中涡旋光可控增益放大，是一种具有巨大潜在价值的器件。

附图说明

图1是一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置的整体结构示意图。它由输入涡旋光纤1、模式转换拉锥区2、低折射率套管3、异质多芯光纤4、扇入扇出过渡区5、多孔毛细管6、双包层过渡光纤7、单模光纤8、光泵浦放大器9、泵浦光输入端口10组成，器件后段与前段相同，呈对称状态，末端为输出涡旋光纤11。图中标注了输入涡旋光纤1、异质多芯光纤4、双包层过渡光纤7、单模光纤8的折射率剖面图。

图2是一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置中1-7号器件的剖面示意图。图中标出了模式转换拉锥区2和扇入扇出过渡区5中纤芯和包层收缩过程。

图3是本发明使用的异质多芯光纤端面示意图，(a)异质六芯光纤、(b)异质三芯光纤、(c)双包层异质六芯光纤(d)双包层异质三芯光纤、(e)双包层异质五芯光纤、(f)双包层异质十芯光纤。其中，图(e)光纤截面的中央是包层或气孔。

图4是单个纤芯的高斯基模和异质多芯光纤超模叠加转换示意图。由图可以知，异质多芯光纤中两相同纤芯中的单个高斯基模可以由对称超模(两纤芯相位相同)和反对称超模(两纤芯相位相反)组成。如图所示，当两超模直接混叠时，等效为某一纤芯的高斯基模；当反对称超模经过180度相移后，两超模的混叠等效为另一相同纤芯中的高斯基模。

图5是模式转换拉锥区中各剖面的本征模式的传播常数图。其曲线由上至下，分别为0阶涡旋光对应的模式，±1阶涡旋相关的对称超模，±1阶涡旋相关的反对称超模，±2阶涡旋相关的对称超模，±2阶涡旋相关的反对称超模，0阶涡旋光束的径向1阶光束对应的模式。

图6是模式转换拉锥区中各阶涡旋光束演化过程图。拉锥区左端的异质多芯光纤中各纤芯的高斯导模逐步演化为右端的各阶涡旋模式，该过程是互易的。图右端为各阶涡旋光束的模场分布和相位分布。

图7是一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置中模式转换拉锥区的转换效率和噪声结果图。竖列的图片为少模光纤中标准的涡旋模式，横行的图片为单模光纤注入后涡旋光子灯笼输出的图样，图中的数据为两组模式间的积分结果。图中的对角线上的数据代表了涡旋模式在模式转换拉锥区中的损耗，非对角线上的数据代表了涡旋模式在模式转换拉锥区中的信号串扰。输出涡旋模式的纯度均大于95％。图中的数据单位为dB。

图8是一种光放大器的增益谱线，该放大器可作为本发明专利中的光泵浦放大器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

实施例1：一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置的设计。

其中输入光纤可使用芯径为18.5um，数值孔径为0.12的六模光纤。其可以容纳轨道角动量为±2，±1，0的多种涡旋光束。异质多芯光纤的纤芯数量为6，各纤芯的芯径为11um，9um，9um，8um，8um，6.5um，典型的芯间距为40um。包层折射率为1.444，纤芯包层数值孔径为0.12。低折射率套管的折射率为1.439，该套管内径等于异质多芯光纤的外径，为125um。

将异质多芯光纤插入低折射率套管中进行绝热拉锥，即可获得模式转换拉锥区。拉锥的形状和长度可由仿真确定，具体的仿真方法如下，使用数值仿真软件分别计算拉锥区长4cm、6cm、8cm下各输出端口的相位值，对其线性拟合，其拟合曲线的斜率项决定了动力学相位而常数项决定了该结构的几何相位。调节锥区的长度或形状，并针对不同阶数的涡旋光束，针对性的设计芯间气孔、调节芯间距、插入小型纤芯、调节纤芯距离中央的距离，即可使得轨道角动量为±2，±1，0的涡旋光束同时具有(N+0.5)π的相位移动，使得单个纤芯中的高斯光束与输入涡旋态之间建立一一对应的关系，该关系图如图7所示。典型的锥区长度为4.2cm，锥形为线性锥。

将异质多芯光连接上与其匹配的扇入扇出器件，使其各纤芯信号输出至单模光纤中；再将各单模光纤插入光泵浦放大器中，进行信号放大。经过放大的单模信号重新接入扇入扇出器和模式转换拉锥区，将其还原为原本的涡旋光束。

根据仿真图7可知，该器件带来的涡旋模式串扰小于-30dB，并且优化后能达到更高的数值。因此可以实现高增益低串扰的要求。

Claims (8)

1.一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：它由输入涡旋光纤(1)、模式转换拉锥区(2)、低折射率套管(3)、异质多芯光纤(4)、扇入扇出过渡区(5)、多孔毛细管(6)、双包层过渡光纤(7)、单模光纤(8)、光泵浦放大器(9)、泵浦光输入端口(10)和输出涡旋光纤(11)组成，所述系统中由输入涡旋光纤(1)注入系统的涡旋光被注入至模式转换拉锥区(2)，由于该结构符合绝热转换和涡旋相位匹配条件，输入的各阶涡旋光束被转换为异质多芯光纤(4)中单一纤芯中的传导模式，异质多芯光纤中的传导模式注入扇入扇出过渡区(5)输出至对应双包层过渡光纤(7)中，该扇入扇出过渡区由多孔毛细管(6)中插入特制的双包层过渡光纤(7)拉锥加工制成，可将异质多芯光纤(4)中每个纤芯导模转换至输出光纤中，双包层过渡光纤(7)中的信号光传输至模场匹配的单模光纤(8)后，由泵浦光输入端口(10)输入泵浦光在光泵浦放大器(9)中与信号光合束，实现反向泵浦信号放大；该放大后的信号光同样经过扇入扇出和模式转换，最终输出至输出涡旋光纤(11)。

2.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：所述的异质多芯光纤的纤芯数量为N，N为整数，N≥3，纤芯位置呈圆周对称分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：所述的异质多芯光纤的部分纤芯的折射率、直径或折射率剖面类型不同。

4.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：所述的异质多芯光纤中纤芯的折射率剖面是阶跃型、抛物线型、高斯型。

5.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：所述的模式转换拉锥区由特殊结构的异质多芯光纤插入低折射率套管中拉锥制成，其拉锥结构满足绝热转换和涡旋相位匹配条件，可以将单个涡旋模式能量转换至异质多芯光纤中的一个纤芯的导模中，并且两者具有对应关系。

6.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：所述的输入涡旋光纤是少模光纤、环形芯光纤或螺旋少模光纤。

7.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：所述的异质多芯光纤的包层结构是单包层或者双包层，在模式转换拉锥区末端收缩后的某内包层边界形成的纤芯包层结构与后端输出少模光纤实现模场面积与数值孔径的匹配。

8.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：所述的异质多芯光纤中纤芯之间存在气孔、小芯径纤芯结构，目的是控制其对称超模与反对称超模在模式转化拉锥区中的相位差值。

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