CN116107016A - 一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器，该光纤耦合器结构由高折射率环芯和周围4个圆芯构成。通过合理精确设计光纤结构尺寸参数，不同圆芯通道内的LP01基模可以激发环芯内不同的高阶模式，且经过一段传输距离后，高阶奇偶超模的相位差可以满足π/2的条件，无需额外的相位调制器或其他光学加工手段，最终会直接在环芯内直接生成四种不同的高阶OAM模式，包括OAM41、OAM31、OAM21和OAM11模式。与目前已报道的OAM模式激发方法相比，该光纤耦合器结构紧凑小巧，无需额外的光学装置，且激发方法简单有效，该光纤在全光纤OAM空分复用通信系统中有潜在的应用价值。

Description

一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别是一种能够激发产生四种不同轨道角动量模式的全光纤多通道耦合器。
背景技术
轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)光束因其独特的光学特性，不同拓扑荷的OAM光束彼此正交，可以作为独立的通道分别携带不同的光信息进行传输，近年来成为了空间光与光纤通信领域的研究热点。
随着OAM光纤通信逐渐向着全光纤化、小型化、集成化方向发展，简单有效的OAM模式激发与调控方法成为了光纤OAM通信领域最关键的科学问题之一。目前已报道的OAM模式激发方法包括螺旋光纤或光栅[Photonics Research，2020，8(8)：1278-1288；OpticsExpress，2020，28(18)：27044-27051]、拉锥耦合器[Optical Fiber Technology，2021，64：102543]、空间光调制器等方法，这些方法装置相对复杂，耦合效率低，体积较大，不利于光纤OAM通信系统的集成化与小型化。除此之外，还有各类利用微结构光纤双折射特性或偏振控制器等调节和改变模式相位，实现同阶本征矢量模式与OAM模式之间的转换方法。这类方法简单有效，然而无法激发高阶OAM模式，只能改变本征奇偶模式相位差，实现同阶OAM模式的激发。
可以看出，目前光纤OAM通信领域缺少可以直接将普通LP01基模转换为不同高阶OAM模式的紧凑、简单、有效的全光纤激发方法。
发明内容
本发明针对目前光纤OAM模式激发领域存在的诸多问题，设计了一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器。通过合理精确设计光纤结构尺寸参数，不同圆芯通道内的LP01基模可以激发环芯内不同的高阶模式，且经过一段传输距离后，高阶奇偶超模的相位差可以满足π/2的条件，无需额外的相位调制器或其他光学加工手段，最终会直接在环芯内直接生成四种不同的高阶OAM模式，包括OAM41、OAM31、OAM21和OAM11模式，该耦合器在OAM光纤通信系统中有潜在的应用价值。
本发明所述的全光纤耦合器由包层、四个圆芯和中间一个环芯构成，包层材料为纯二氧化硅，圆芯和环芯由掺杂二氧化硅构成，环芯正中间为空气孔结构。其中，环芯的内径为r0，外径为r1，四个圆芯的半径均为r2。四个圆芯与光纤中心的距离分别为R1、R2、R3、R4。四个圆芯折射率分别为n1、n2、n3、n4，环芯折射率为n5。LP01基模可以分别通过四个相同尺寸的圆芯通道进入光纤，传输一段距离后，中间环芯内会直接分别激发生成四种不同的OAM模式(OAM41、OAM31、OAM21和OAM11)。
本发明的OAM模式激发原理：当满足特定尺寸、波长及材料结构条件时，圆芯中输入的LP01基模与环芯中的高阶矢量模式会发生耦合，从而产生2对奇偶超模，当传输距离满足模式耦合长度时，超模叠加会激发高阶矢量奇偶模式，当高阶矢量奇偶模式在该传输长度时积累的相位刚好满足π/2相位差时，便会生成高阶OAM模式。同理，当光纤结构参数满足特定条件时，4个圆芯中分别输入的LP01基模便会在一定传输长度下，直接在中间环芯中生成4个不同的OAM高阶模式。
本发明提出了一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器，其优点在于：
1、该耦合器无需额外的光学加工或者相位调制器，四个圆芯分别输入LP01基模，便可直接在中间环芯中生成4种不同的OAM高阶模式。与目前已报道的OAM模式激发方法相比，该光纤耦合器结构紧凑小巧，无需额外的光学装置，且激发方法简单有效，可以在一个环芯通道内，同时激发4个不同的高阶OAM模式，该光纤在全光纤OAM空分复用通信系统中有潜在的应用价值。
2、耦合器4个圆芯尺寸相同，掺杂二氧化硅的材质可以更好地与普通单模光纤兼容匹配，中心高折射率环芯的结构也有助于和常见OAM传输高折射率环芯光纤匹配，减小耦合损失。
3、光纤结构通过适当的调节，可以实现不同波长、不同种类OAM模式的激发，不限于具体实施方式所提供的参数特性，耦合器灵活可控，且激发简单有效。
附图说明
图1为多通道轨道角动量模式全光纤耦合器横截面示意图；
图2为光纤耦合器环芯和其中一个圆芯发生谐振时，四种超模的有效折射率及模场图；
图3为不同传输长度下激发产生的OAM41模式的模场图、相位图及纯净度；
图4为不同传输长度下激发产生的OAM31模式的模场图、相位图及纯净度；
图5为不同传输长度下激发产生的OAM21模式的模场图、相位图及纯净度；
图6为不同传输长度下激发产生的OAM11模式的模场图、相位图及纯净度。
具体实施方式
下面结合附图和实施对本发明进一步说明。
一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器，横截面结构如图1所示。光纤中心由一个半径为r0的大空气孔和高折射率环芯构成，周围为4个圆芯，包层材料为纯二氧化硅，圆芯和环芯由掺杂二氧化硅构成。其中，环芯的内径为r0，外径为r1，四个圆芯的半径均为r2。四个圆芯与光纤中心的距离分别为R1、R2、R3、R4。四个圆芯折射率分别为n1、n2、n3、n4，环芯折射率为n5。
选取该光纤耦合器的包层材料为纯二氧化硅(假设纯二氧化硅的折射率为n0)，环芯的内径r0＝6μm，外径r1＝8μm，四个圆芯的半径r2＝4μm，四个圆芯与光纤中心距离分别为R1＝15μm，R2＝16μm，R3＝15.5μm，R4＝15μm，四个圆芯的折射率分别为n1＝n0+0.024，n2＝n0+0.02898，n3＝n0+0.0303，n4＝n0+0.0269，环芯的折射率为n5＝n0+0.05。
在该参数下，光纤耦合器的OAM模式激发特性如图2至6所示。
图2所示为该光纤耦合器环芯和其中一个圆芯发生谐振时，由于耦合导致的2对奇偶超模的有效折射率及模场图。在该结构参数下，右侧圆芯中HE11奇偶模式会与中心环芯HE31奇偶模式发生耦合，根据耦合模理论，耦合会产生2对超模(图中标记为ABCD)，此时，奇偶模式的耦合波长均为1550.6nm。在耦合波长下，HE11与HE31奇偶模式之间的最大能量传递发生在耦合长度处，当传输距离为耦合长度的奇数倍时，2对奇偶超模会叠加并在环芯内产生HE31奇偶模式；与此同时，HE31奇偶模式的相位差也会随着传输长度逐渐积累，如果此时恰好满足π/2的相位差条件，便会激发OAM21模式。该光纤耦合器利用特殊巧妙设计的尺寸结构，实现了4个圆芯HE11奇偶模式向环芯四种不同OAM模式的转换激发。
图3为不同传输长度下激发产生的OAM41模式的模场图、相位图及纯净度。当HE11奇偶模式从下方圆芯输入时，在耦合波长1550.8nm处，HE11奇偶模式会与中心环芯HE51奇偶模式发生耦合，经过一定的传输长度(967mm)，中间环芯将会直接激发产生OAM41模式，且纯净度高达99.07％。
图4为不同传输长度下激发产生的OAM31模式的模场图、相位图及纯净度。当HE11奇偶模式从左侧圆芯输入时，在耦合波长1550.4nm处，HE11奇偶模式会与中心环芯HE41奇偶模式发生耦合，经过一定的传输长度(463mm或464mm)，中间环芯将会直接激发产生OAM31模式，且纯净度为98.63％。
图5为不同传输长度下激发产生的OAM21模式的模场图、相位图及纯净度；当HE11奇偶模式从右侧圆芯输入时，在耦合波长1550.6nm处，HE11奇偶模式会与中心环芯HE31奇偶模式发生耦合，经过一定的传输长度(285mm或286mm)，中间环芯将会直接激发产生OAM21模式，且纯净度为97.55％。
图6为不同传输长度下激发产生的OAM11模式的模场图、相位图及纯净度。当HE11奇偶模式从上方圆芯输入时，在耦合波长1550.6nm处，HE11奇偶模式会与中心环芯HE21奇偶模式发生耦合，经过一定的传输长度(874mm)，中间环芯将会直接激发产生OAM11模式，且纯净度为98.84％。
此外，该光纤耦合器结构灵活可调，通过设置合理的结构参数，耦合波长、传输长度及激发OAM模式种类均可调节，该光纤耦合器在全光纤OAM空分复用通信系统领域有潜在的应用价值。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器，其特征在于：所述耦合器结构由包层、多个高折射率圆芯和中间一个高折射率环芯构成；LP01基模从多通道圆芯分别输入，经过一定传输长度后，可以直接在环芯中激发生成不同种类的OAM模式。
2.根据权利要求1所述的一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器，其特征在于：所述耦合器包层材料为纯二氧化硅，高折射率环芯和多个圆芯由掺杂二氧化硅构成，高折射率环芯中心为一个空气孔。
3.根据权利要求1所述的一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器，其特征在于：环芯在光纤中心，多个圆芯环绕在环芯周围。
4.根据权利要求1所述的一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器，其特征在于：圆芯数量为4个，高折射率环芯的内径为r0，外径为r1，四个圆芯的半径均为r2。四个圆芯与光纤中心的距离分别为R1、R2、R3、R4。四个圆芯折射率分别为n1、n2、n3、n4，环芯折射率为n5。
5.根据权利要求1所述的一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器，其特征在于：上述环芯的内径r0＝6μm，外径r1＝8μm，四个圆芯的半径r2＝4μm，四个圆芯与光纤中心距离分别为R1＝15μm，R2＝16μm，R3＝15.5μm，R4＝15μm。
6.根据权利要求1所述的一种多通道轨道角动量模式全光纤耦合器，其特征在于：上述四个圆芯的折射率分别为n1＝n0+0.024，n2＝n0+0.02898，n3＝n0+0.0303，n4＝n0+0.0269，环芯的折射率为n5＝n0+0.05，其中n0为纯二氧化硅折射率。
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