CN114354128A - 一种新型涡旋光场探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种新型涡旋光场探测装置。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、相位调制器9、光纤耦合器10和单模输出端口11组成。本发明可用于光纤中涡旋光的探测、分类和解复用，可广泛用于大容量光纤轨道角动量通信系统中。

Description

一种新型涡旋光场探测装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种新型涡旋光场探测装置，可用于基于轨道角动量复用的光纤通信系统中，属于光纤通信技术领域。

(二)背景技术

随着5G通信时代的来临，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，载有多阶轨道角动量的涡旋信号解调成为了亟待解决重要问题。

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，于此同时，对于带有OAM的涡旋光束的信号也需要一种与波长和偏振无关的解调方法。

传统涡旋光的探测与解调方法主要依赖于空间光学器件，主要的方法有衍射法、干涉法和模式转换法等。衍射法的主要原理是将空间涡旋光束输入矩形方孔或衍射光栅上，涡旋光束经过矩形方孔的远场衍射图案可用来判别OAM的状态，衍射光栅法则将涡旋光束转换为高斯光束来探测指定阶数的涡旋光；干涉法则需要将涡旋光束与相干的平面光束合束，产生具有螺旋形式的条纹，通过干涉图样信息判别轨道角动量的阶数；模式转换法则利用空间光调制器等将涡旋光束转化为拉盖尔高斯光束或厄米高斯光束；另外，利用螺旋光纤光栅也可以将光纤中的涡旋光束转换为高斯光束，但其具有波长敏感性，只有特定波长的光束可实现转换。以上几种涡旋光束的检测方法或需要大量空间学的器件，或具有波长或偏振限制无法兼容于现有的光纤通信系统。

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。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。

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。通过该器件可实现高斯光束与涡旋光束的转换，但是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解调系统中。

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。通过该器件可实现高斯光束与涡旋光束的转换，可实现±1阶和0阶涡旋光束的探测，但无法探测更高阶数的涡旋光。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探测解调系统中。

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，无法直接用于涡旋光束的探测和解复用。

本发明公开了一种新型涡旋光场探测装置，可用于轨道角动量复用的光纤通信系统中，克服了传统轨道角动量光束的探测中对波长、偏振等因素的限制，能将载有各阶轨道角动量的涡旋光束转化为高斯光束，实现对涡旋光束的在线探测。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种新型涡旋光场探测装置。

本发明的目的是这样实现的：

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、相位调制器9、光纤耦合器10和单模输出端口11组成。所述系统中由输入涡旋光纤 1传入的涡旋光束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中单一纤芯或两相邻纤芯的传导模式，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，其中几路信号经过相位调制器9和光纤耦合器10输出至探测器，采用相位调制器和耦合器的目的是探测对应信号之间的强度和相位关系，以区分阶数相同旋向不同的涡旋光，另外几路信号则确定相位关系，直接输出至探测器。

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、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。

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。

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双包层，在模式转换拉锥区末端收缩后的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。

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 even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。

一个典型的涡旋光场探测器可以将6种不同的光纤涡旋模式转换至异质多芯光纤的六个纤芯中，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的一个或两个纤芯的导模中，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。

为了能检测出更多的混合输入状态，本发明专利在输出单模光纤后端增加了光纤耦合器和相位调制器。光纤耦合器的两端须接在异质多芯光纤相同纤芯经扇入扇出器件导出的单模光纤上。当光纤是输入状态为HE模式的odd或even 状态时，均能在异质多芯光纤的两相同纤芯中激发等功率的基模高斯光束，两者区别在于输出端的相位信息，此时功率探测无法获取其具体的模式相位信息，但如果能根据相位调制器和耦合器的组合记录不同相移条件下各端口的输出状态，则能反推出异质多芯光纤中两对应端口的相位，从而反推出输入端模式。

本发明专利提出的一种新型涡旋光场探测器，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解调系统中。该器件克服了传统涡旋光束解调中存在的体积大、结构复杂、无法与波分复用和偏振复用等方法兼容的问题，又打破传统光子灯笼无法同时解调多阶涡旋光束的困难，可用于光纤中涡旋光的探测、分类和解复用，是一种具有巨大潜在价值的器件。

(四)附图说明

图1是一种新型涡旋光场探测装置的整体结构示意图。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、相位调制器9、光纤耦合器10 和单模输出端口11

图2是一种新型涡旋光场探测装置中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，其中光纤截面的中央是气孔；(f)双包层异质十芯光纤。

图4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是一种新型涡旋光场探测装置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。

(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1：一种新型涡旋光场探测装置的设计。

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1.4398，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。

将异质多芯光纤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，在选对应于9um和8um的两组单模光纤分别接入光纤耦合器和相位控制器。

当输入端接入了只含有某阶轨道角动量的涡旋光束时，其能量可完全转换至对应的单模输出端口。当输入端接入混合有各阶轨道角动量的涡旋光束时，每阶涡旋光束均能以极高效率转换至对应输出端口。当输入端接入混合形式的光纤HE或EH模式时，通过相位调制器和光纤耦合器的探测即可获得其具体的模式信息。

Claims (7)

1.一种新型涡旋光场探测装置，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)、相位调制器(9)、光纤耦合器(10)和单模输出端口(11)组成，所述系统中由输入涡旋光纤1传入的涡旋光束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)中单一纤芯或两相邻纤芯的传导模式，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，其中几路信号经过相位调制器(9)和光纤耦合器(10)输出至探测器，采用相位调制器和耦合器的目的是探测对应信号之间的强度和相位关系，另外几路信号则确定相位关系，直接输出至探测器。

2.根据权利要求1所述的一种新型涡旋光场探测装置，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所述的一种新型涡旋光场探测装置，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所述的一种新型涡旋光场探测装置，其特征是：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所述的一种新型涡旋光场探测装置，其特征是：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所述的输入涡旋光纤，其特征是：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。

7.根据权利要求1所述的异质多芯光纤。其特征是：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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