CN113866893A - 一种新型光纤涡旋场生成器 - Google Patents

一种新型光纤涡旋场生成器 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种新型光纤涡旋场生成器。其特征是：它由输入单模光纤(1)、双包层过渡光纤(2)、多孔毛细管(3)、扇入拉锥区(4)、异质多芯光纤(5)、低折射率套管(6)、模式转换拉锥区(7)、输出少模光纤(8)组成，每个单模光纤输入端口均能独立地将光纤基模转换为不同阶涡旋光束。本发明可用于高斯光束和各阶涡旋光束生成，并且输出至后端少模光纤，可广泛用于轨道角动量复用的光纤通信系统中。

Description

一种新型光纤涡旋场生成器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种新型光纤涡旋场生成器，可用于高斯光束和各阶涡旋光束生成，并输出至后端少模光纤，属于光纤微结构器件技术领域。
(二)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，可同时生成多阶轨道角动量光束的涡旋场生成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，这几种方法通常只能将高斯光束转换为某阶涡旋光束，无法使用相同器件同时产生多阶涡旋光束。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，这些方法或使用的器件或具有一定程度的波长敏感性，或无法同时产生多阶涡旋光束。因此，一种可同时产生多阶涡旋光束的波长不敏感、偏振不敏感的涡旋光场生成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。如何将传统的光子灯笼改造为轨道角动量系统所需要的涡旋光模式转换器件是本发明专利的重要创新点。
为解决以上问题，申请号为201810966528.2的专利提出了一种基于光子灯笼的OAM模式复用器件、制造方法及复用方法，该方法使用传统的不同单模光纤合束熔融拉锥方法将输入单模转换为光纤矢量模式，在将输出少模光纤缠绕至模式偏振控制器的方法获得涡旋光束。该发明专利需要使用模式偏振控制器进行机械调节，稳定性不够高。由于多芯光纤在弯曲时不同纤芯的位置不同，纤芯受到的影响不同，该方法无法应用于多芯空分复用的涡旋光传输系统中。
申请号为201910359407.6的专利提出了一种轨道角动量光子灯笼的制作方法，该方法将光纤束置于低折射率玻璃套管内，通过控制拉锥长度来获得OAM模式。该发明专利无法控制高阶涡旋光束和±1阶涡旋光束同时具有π/2相位差值，仅能获得±1阶和0阶涡旋光束。由于同时插入套管中的光纤无法大量增加，该发明专利无法扩展至多芯空分复用的涡旋光通信。
申请号为202010207437.8的专利提出了一种光子灯笼型简并模组复用解复用器及传输方法，该发明专利设计的光子灯笼仅能产生光纤矢量光束，无法产生涡旋光束。
本发明公开了一种新型光纤涡旋场生成器，它可以将单模光纤输入的基模光束转换为各阶涡旋光束，并且两者存在一一对应的关系。与现有的其他技术相比，基于异质多芯光纤的新型光纤涡旋场生成器采用全光纤连接，集成度高。另外由于整个结构均满足绝热转换条件，所以输入高斯光束可以以极高的效率转换为输出涡旋光束，具有低串扰、低插入损耗的优点。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种新型光纤涡旋场生成器。
本发明的目的是这样实现的：
一种新型光纤涡旋场生成器，其特征是：它由输入单模光纤(1)、双包层过渡光纤(2)、多孔毛细管(3)、扇入拉锥区(4)、异质多芯光纤(5)、低折射率套管(6)、模式转换拉锥区(7)、输出少模光纤(8)组成，输入单模光纤(1)与双包层过渡光纤(2)熔接，两者的数值孔径与模场面积均匹配，单模光纤中的基模高斯光束被无损地导引至双包层过渡光纤(2)；多根双包层过渡光纤(2)被同时插入多孔毛细管(3)并进行绝热拉锥形成扇入拉锥区(4)，其末端与异质多芯光纤(5)相连接，每一根输入单模光纤(1)中的基模均能传输至异质多芯光纤(5)的对应纤芯；将异质多芯光纤(5)插入低折射率套管(6)后，再次进行绝热拉锥形成模式转换拉锥区(7)，其末端与输出少模光纤(8)相连接，异质多芯光纤(5)中每个纤芯中的光波均能转换至少模光纤中的涡旋模式；多根输入单模光纤(1)中的基模均能转换至输出少模光纤(8)中多个特定阶数的涡旋模式，两者存在一一对应的关系。
本发明实现高斯基模至涡旋模式转换的器件主要由两部分组成，第一部分是输入单模光纤(1)至异质多芯光纤(5)的扇入扇出结构，目的是是将多根独立的单模光纤信号输入至异质多芯光纤。第二部分是异质多芯光纤(5)至输出少模光纤(8)，目的是实现异质多芯光纤中各纤芯导行基模转换为各阶涡旋模式。
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1来说明，模式转换拉锥区的工作原理。图中的输出少模光纤可容纳多阶涡旋光束，该光纤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，
Figure BDA0003299830240000031
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，但在本发明专利的中，我们需要整体考虑多芯光纤的超模特征。在本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对接的某单根单模光纤输入得到。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高斯基模，单根输入单模光纤无法激发此混合状态。
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
Figure BDA0003299830240000041
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输入基模至涡旋模式的转化效率。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，输出端的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模式可由异质多芯光纤端的对称超模演化得到，而光纤的odd模式可由异质多芯光纤的反对称超模演化得到。如果两种演化后的光纤矢量模式之间存在非0或非π相位差，则会同时激发出非单一状态的涡旋模式，无法构成单个输入纤芯中高斯基模与涡旋模式的一一对应关系。
在整个模式转换拉锥区中，异质多芯光纤输入端的单芯高斯基模可分解为对称超模与反对称超模的等功率叠加态，两者分别演化为光纤的even模式和具有π/2相位差值的odd模式，组合装配成为具有轨道角动量的涡旋模式。异质多芯光纤输入端的单芯高斯基模，由某根输入单模光纤中基模经过扇入拉锥区得到。
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，以实现对称超模和反对称超模在整个锥区演化过程中获得π/2累计相位差。这样，在模式转换拉锥区末端，由超模演化而来的odd模式和even模式相位差为π/2，可组成对应阶数的涡旋模式，整个器件获得了异质多芯光纤某个纤芯高斯基模和输出涡旋模式之间一一对应的转换关系。
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的涡旋光子灯笼才有可能被实现，普通的光子灯笼无法确保多个涡旋模式能同时被激发，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。
一个典型的异质六芯涡旋光场生成器可以将六个纤芯中的每个高斯基模均转换为对应涡旋模式。其中0阶的涡旋光束由异质多芯光纤中基模传播常数最大的纤芯基模转换而来，±1阶涡旋光束由异质多芯光纤中基模传播常数次大的两个相同纤芯基模转换而来，±2阶涡旋光束由异质多芯光纤中基模传播常数第三大的两个相同纤芯基模转换而来，0阶涡旋光束的径向1阶光束则由异质多芯光纤中基模传播常数最小的纤芯基模转换而来。
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、纤芯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、高斯型等。
所述的输出少模光纤，其特征是：所述的输出少模光纤：该输出少模光纤是少模光纤、环形芯光纤或螺旋少模光纤等。其特点是可以稳定传输载有轨道角动量的涡旋光束。
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转换为异质多芯光纤中某个纤芯的导模，并且两者具有对应关系。如果输入端有多个纤芯基模被激发则输出端会激发多个涡旋模式的混合态，如果输入光波是相干的，输出的涡旋态之间会发生模间干涉。
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。
在优化设计模式转换拉锥区基础上，通过适配异质多芯光纤的扇入扇出器件即可使某输入单模光纤能量转换至异质多芯光纤的某纤芯基模中。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。
本发明专利提出了一种新型光纤涡旋场发生器，其能将输入光纤基模转换为具有轨道角动量的涡旋光束，基于对模式转换拉锥区中模式相位的分析，进行了针对性设计，实现了多阶涡旋光同时激发。该器件的工作带宽由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。同时由于器件对波长和偏振不敏感，集成度高，可用于七芯空分复用或更多芯空分复用的涡旋光通信系统中，是一种具有巨大潜力的通信器件。
(四)附图说明
图1一种新型光纤涡旋场生成器的整体结构图，它由输入单模光纤1、双包层过渡光纤2、多孔毛细管3、扇入拉锥区4、异质多芯光纤5、低折射率套管6、模式转换拉锥区7、输出少模光纤8组成。各个连接截面的折射率剖面为：输入单模光纤的折射率剖面9、双包层过渡光纤的折射率剖面10、异质多芯光纤的折射率剖面11、模式转换拉锥区末端的折射率剖面12、输出少模光纤的折射率剖面13。
图2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。
图3是异质多芯光纤超模和单个纤芯的高斯基模的叠加转换示意图。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4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5是模式转换拉锥区中异质多芯光纤各纤芯中导行基模演化过程图。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6为一种新型光纤涡旋场生成器的输出模式与标准光纤涡旋模式对比图。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。
(五)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1：一种新型光纤涡旋场生成器
其中输出少模光纤使用芯径为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1.4398，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。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，使其各单模光纤能量均能无串扰地输入至异质多芯光纤的各纤芯中。此时各输入光纤基模与载有不同轨道角动量的涡旋模式间转换模型建立，各纤芯分别激发不同的涡旋光束。

Claims (7)

1.一种新型光纤涡旋场生成器，其特征是：它由输入单模光纤(1)、双包层过渡光纤(2)、多孔毛细管(3)、扇入拉锥区(4)、异质多芯光纤(5)、低折射率套管(6)、模式转换拉锥区(7)、输出少模光纤(8)组成，输入单模光纤(1)与双包层过渡光纤(2)熔接，两者的数值孔径与模场面积均匹配，单模光纤中的基模高斯光束被无损地导引至双包层过渡光纤(2)；多根双包层过渡光纤(2)被同时插入多孔毛细管(3)并进行绝热拉锥形成扇入拉锥区(4)，其末端与异质多芯光纤(5)相连接，每一根输入单模光纤(1)中的基模均能传输至异质多芯光纤(5)的对应纤芯；将异质多芯光纤(5)插入低折射率套管(6)后，再次进行绝热拉锥形成模式转换拉锥区(7)，其末端与输出少模光纤(8)相连接，异质多芯光纤(5)中每个纤芯中的光波均能转换至少模光纤中的涡旋模式；多根输入单模光纤(1)中的基模均能转换至输出少模光纤(8)中多个特定阶数的涡旋模式，两者存在一一对应的关系。
2.根据权利要求1所述的一种新型光纤涡旋场生成器，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所述的一种新型光纤涡旋场生成器，其特征是：所述的异质多芯光纤的部分纤芯的折射率、纤芯直径或折射率剖面类型不同。
4.根据权利要求1所述的一种新型光纤涡旋场生成器，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、高斯型等。
5.根据权利要求1所述的一种新型光纤涡旋场生成器，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转换为异质多芯光纤中某个纤芯的导模，并且两者具有对应关系。
6.根据权利要求1所述的一种新型光纤涡旋场生成器，其特征是：所述的输出少模光纤是少模光纤、环形芯光纤或螺旋少模光纤等。
7.根据权利要求1所述的一种新型光纤涡旋场生成器，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。
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