CN114563872B - 用于提升光纤传输容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传输技术领域，具体技术方案为：用于提升光纤传输容量的方法，包括建立理论仿真系统和实验验证系统，通过理论仿真系统得出光纤传输光场分布以及自旋角动量分布，通过实验验证系统得出光纤传输光场分布和自旋角动量分布，采用理论分析和搭建光纤耦合传输系统，研究不同拓扑荷或者不同阶数柱矢量涡旋光束及其自旋角动量在单模光纤、环形光纤以及少模光纤中的传输特性，对在三种光纤中传输的柱矢量涡旋光束光场和自旋角动量分布进行验证，改进实验系统，实现对光场分布以及自旋角动量分布的同时探测，增大光纤的传输容量，在长距离光通信、大数据光互连的研究中有着重大的研究意义。

Description

用于提升光纤传输容量的方法

技术领域

本发明属于光纤传输技术领域，具体涉及一种用于提升光纤传输容量的方法。

背景技术

奇点光束中相位或偏振的不确定性引起光束中心处振幅为零，该点被称为光学奇点。涡旋光场在外形上为环形光场分布，光束中的每个光子都具有轨道角动量，同时具有螺旋波前相位。在超大容量光互联通信链路领域，涡旋光束推动了多项重大应用技术的发展，利用不同拓扑荷的涡旋光束相互正交的特性，不同拓扑荷的涡旋光束可以作为独立的信道同时传输信息，从而提高自由空间和光纤通信中的信道容量。涡旋光复用通信作为模分复用的一种形式，近年来在信道数目、通信容量和兼容性等方面都取得了重大突破。

偏振奇点以柱矢量光束为代表其偏振态沿着方位角呈现出周期性变化，不同阶的柱矢量光束在空间上是相互正交的，不同阶柱矢量光束都可以作为独立信道传输信息。柱矢量光束独特的偏振和正交特性在扩大光通信容量、提高安全性与调制能力、量子保密通信与量子计算、超大容量光互联通信链路和光交换网络技术等领域具有重大的应用技术研究发展前景。

角动量是聚焦光场的一个重要参数，在光学研究中是一个重要的研究方向，角动量可分为两大类：自旋角动量和轨道角动量，自旋角动量与光束偏振相关，主要存在于圆偏振光束中；而轨道角动量与光束的相位相关，主要存在于涡旋光束中。在对光场的自旋角动量进行表征的过程中，人们从理论上得出通过简单地测量横向电场的右旋和左旋分量就可以发现TM模式电磁场的轴向自旋角动量。除系数外，轴向自旋角动量的分布与右旋减左旋分量分布相同，这样通过对横向电场的左右旋分量进行提取即可实现对其自旋角动量的探测。

在过去40年中，一系列技术突破使得每根光纤的容量每四年增加10倍左右，到目前为止，传输技术已经能够跟上互联网协议流量的持续增长，传输成倍增长的同时，数据成本也是可控的，这主要是因为通过升级光纤端的设备，在同一根光纤上传输了更多的数据。然而，在未来十年左右，实际网络中越来越多的光纤将达到其容量限制。

因此，对于所有网络运营商来说，跟上不断增长的数据流量需求将意味着需要更多的光纤，并且可能以指数级的速度增长，如果没有进一步的创新，在并行光纤上部署系统将导致成本、功耗与容量成线性扩展，从而限制增长。

发明内容

为增加现有光纤的传输容量，本发明针对涡旋光及柱矢量光束的特性，将涡旋光以及柱矢量光束相结合，提出了在现有不同的光纤中传输柱矢量涡旋光束并探测柱矢量涡旋光束自旋角动量的方法，增大了光纤的传输容量，将自旋角动量的探测与模分复用技术相结合，进一步增大了光通信以及光互联系统的通信容量。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：用于提升光纤传输容量的方法，包括建立理论仿真系统和建立实验验证系统。

建立理论仿真系统的具体步骤为：建立柱矢量涡旋光束及其自旋角动量在光纤介质中传输的仿真模型，选取适用于波长633nm传输的单模光纤、环形光纤及少模光纤，基于广义惠更斯菲涅尔原理和相干偏振统一理论，得出柱矢量涡旋光束及其自旋角动量分别在三种光纤传输中交叉谱密度矩阵元的解析表达式，结合三种光纤的结构参数模拟计算得出三种光纤传输理论光场分布、自旋角动量分布。

建立实验验证系统的具体步骤为：利用空间光调制器与涡旋波片相结合分别构建不同柱矢量涡旋光束，结合精细调整架将柱矢量涡旋光分别耦合到三种光纤中，并在光纤入射端和出射端使用光束质量分析仪对涡旋光束光板进行分析，通过对光纤入射端和出射端光斑质量进行对比分析柱矢量涡旋光束在三种光纤中的传输光场分布，接着在光纤出射端采用光纤分束器将光分为两路，放置四分之一波片和偏振片，调节四分之一波片和偏振片主轴分别成±45°，实现对光纤出射端涡旋光束左旋分量、右旋分量的探测，进而得出三种光纤传输自旋角动量分布。

对比理论仿真系统与实验验证系统中的三种光纤传输光场分布，对比理论仿真系统与实验验证系统中的三种光纤传输自旋角动量分布，得出柱矢量聚焦涡旋光场及自旋角动量同时探测的光纤耦合传输探测系统，提升光纤传输的容量。

本发明采用理论分析、模拟仿真和搭建光纤耦合传输系统等方法，研究不同拓扑荷或者不同阶数柱矢量涡旋光束及其自旋角动量在单模光纤、环形光纤以及少模光纤中的传输特性，对在三种光纤中传输的柱矢量涡旋光束光场、角动量分布、传输损耗和传输距离等参数进行测试对比，选取适合柱矢量涡旋光束及其角动量传输的光纤，为后续将柱矢量涡旋光束及其角动量用于光纤通信奠定一定的基础，最后改进实验系统，实现对光场分布以及自旋角动量分布的同时探测，通过对光场分布以及自旋角动量分布的同时探测，增大了光纤的传输容量，在长距离光通信、大数据光互连的研究中有着重大的研究意义。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为基于柱矢量聚焦涡旋光场自旋角动量的光纤耦合传输探测系统图。

图3为基于柱矢量聚焦涡旋光场及其自旋角动量同时探测的光纤耦合传输探测系统图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，建立理论仿真系统的具体步骤为：建立柱矢量涡旋光束及其自旋角动量在光纤介质中传输的仿真模型，选取适用于波长633nm传输的单模光纤、环形光纤及少模光纤，基于广义惠更斯菲涅尔原理和相干偏振统一理论，得出柱矢量涡旋光束及其自旋角动量分别在三种光纤传输中交叉谱密度矩阵元的解析表达式，结合三种光纤的结构参数模拟计算得出三种光纤传输理论光场分布、自旋角动量分布。

建立实验验证系统的具体步骤为：利用空间光调制器与涡旋波片相结合分别构建不同柱矢量涡旋光束，结合精细调整架将柱矢量涡旋光分别耦合到三种光纤中，并在光纤入射端和出射端使用光束质量分析仪对涡旋光束光板进行分析，通过对光纤入射端和出射端光斑质量进行对比分析柱矢量涡旋光束在三种光纤中的传输光场分布，放置四分之一波片和偏振片，调节四分之一波片和偏振片主轴分别成±45°，接着在光纤出射端采用光纤分束器将光分为两路，实现对光纤出射端涡旋光束左旋分量、右旋分量的探测，进而得出三种光纤传输自旋角动量分布，通过对自旋角动量分布的对比得出自旋角动量在三种光纤中的传输情况。

通过对自旋角动量分布的对比得出自旋角动量在三种光纤中的传输情况，光路如图2所示，入射光经过空间光调制器、透镜、二分之一波片和涡旋波片等器件转变为柱矢量涡旋光场，通过BS1分为第一支路和第二支路：

第一支路经过物镜聚焦进入到光纤中，光纤中的光束通过分光器再次分为两路，一路通过四分之一波片和偏振片后进行探测，另一路也通过四分之一波片和偏振片后进行探测。

第二支路通过BS2分为两路，一路经过聚焦通过涡旋波片、四分之一波片和偏振片后提取其左旋分量，另一路经过聚焦通过涡旋波片、四分之一波片和偏振片并后提取其右旋分量，左旋分量和右旋分量均被CCD所记录。所记录的数据与未进入光纤的柱矢量涡旋光束的自旋角动量进行对比，得出柱矢量涡旋光场的自旋角动量在光纤中的传输情况。

将柱矢量涡旋光束及其自旋角动量在单模光纤、环形光纤和少模光纤中的传输情况进行分析研究对比，选取合适的光纤用于光互连系统的搭建，最终实现对柱矢量涡旋光束光场分布以及自旋角动量的同时探测，通过增加对光场自旋角动量参量的探测来提升系统的传输容量，在保持光纤有限孔径的情况下增加信道数量，同时信道之间不发生串扰，具体光路如图3所示，在图2所述的光路基础上增加对不同柱矢量聚焦涡旋光场分布的探测，实现对聚焦柱矢量涡旋光场及其自旋角动量分布的同时探测，增大光纤的传输容量。

本发明采用理论分析、模拟仿真和搭建光纤耦合传输系统等方法，研究不同拓扑荷或者不同阶数柱矢量涡旋光束及其自旋角动量在单模光纤、环形光纤以及少模光纤中的传输特性，对在三种光纤中传输的柱矢量涡旋光束光场、角动量分布、传输损耗和传输距离等参数进行测试对比，选取适合柱矢量涡旋光束及其角动量传输的光纤，为后续将柱矢量涡旋光束及其角动量用于光纤通信的奠定一定基础，最后改进实验系统，实现对光场分布以及自旋角动量的分布的同时探测，通过对光场分布以及自旋角动量分布的同时探测增大了光纤的传输容量，在长距离光通信，大数据光互连的研究中有着重大的研究意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。

Claims (1)

1.用于提升光纤传输容量的方法，其特征在于，包括建立理论仿真系统和建立实验验证系统；

所述建立理论仿真系统的具体步骤为：建立柱矢量涡旋光束及其自旋角动量在光纤介质中传输的仿真模型，选取适用于波长633nm传输的单模光纤、环形光纤及少模光纤，基于广义惠更斯菲涅尔原理和相干偏振统一理论，得出柱矢量涡旋光束及其自旋角动量分别在三种光纤传输中交叉谱密度矩阵元的解析表达式，结合三种光纤的结构参数模拟计算得出在三种光纤中传输光场分布、自旋角动量分布；

建立实验验证系统的具体步骤为：利用空间光调制器与涡旋波片相结合分别构建不同柱矢量涡旋光束，结合精细调整架将柱矢量涡旋光束分别耦合到三种光纤中，并在光纤入射端和出射端使用光束质量分析仪对涡旋光束进行分析，通过对光纤入射端和出射端光斑质量进行对比分析柱矢量涡旋光束在三种光纤中的传输光场分布，接着在光纤出射端采用光纤分束器将光分为两路，放置四分之一波片和偏振片，调节四分之一波片和偏振片主轴分别成±45°，实现对光纤出射端涡旋光束左旋分量、右旋分量的探测，进而得出三种光纤传输自旋角动量分布；

对比理论仿真系统与实验验证系统中的三种光纤传输光场分布，对比理论仿真系统与实验验证系统中的三种光纤传输自旋角动量分布，得出柱矢量聚焦涡旋光场及自旋角动量同时探测的光纤耦合传输探测系统，提升光纤传输的容量。