一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器制造技术

本发明专利技术公开了一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器，包括一根单模光纤、一根少模光纤以及熔融耦合区；单模光纤为在使用波长区仅支持单模传输的阶跃光纤或渐变折射率光纤，少模光纤为在使用波长区打破模式简并且支持高阶矢量模单独稳定传输的渐变折射率光纤；通过熔融拉锥方法，在满足相位匹配条件下，单模光纤的基模与少模光纤中的特定矢量模式发生模式耦合，控制单模光纤的基模圆偏振态，可产生特定的OAM模式。本发明专利技术提出的光纤OAM模式产生器可定向产生特定OAM模式，效率高，纯度高，并能支持其稳定传输，采用全光纤化结构，结构紧凑，易与光纤通信网络兼容。

【技术实现步骤摘要】
一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器
本专利技术涉及光学器件设计、光通信
，特别涉及一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式(OAM)产生器。
技术介绍
21世纪以来，随着信息化水平不断提高，对于通信业务的需求再也不单单局限于常见的通话和短信，高清视频、IPTV、云计算等大数据业务相继出现以及智能终端不断普及，人们对通信信息量的需求越来越大，信息需求量呈爆炸式的增长。最近几年来，通信研究者们尝试采用频分、时分以及波分复用和多载波调制等通信技术实现通信容量的倍增。虽在一定程度上缓解了通信容量与用户需求之间的矛盾，但仍不能满足日益增长的通信容量的需求。为了寻求新型高速大容量信息传输技术，人们提出了轨道角动量(OAM)模式复用技术。携带OAM的光束被称为涡旋光束，具有exp(ilθ)的相位项，其中l是OAM的模数，也称为拓扑荷数，θ是方位角。理论上，每一个单色光波长的涡旋光束所携带的OAM可以是无穷且彼此之间相互正交。这种特性表明了不同的OAM模式可作为新的自由度用于创建额外的数据载体。重要的是，OAM与波长和偏振态彼此独立，这表明OAM模式复用技术可与波分复用和偏分复用技术无缝结合，可极大的提高信道容量和频谱效率。产生OAM模式的传统方法是利用螺旋相位板、计算全息光栅和空间光调制器等相位元件，然而这些元件的损伤阈值较低、损耗大，成本较高，且紧凑性差。而基于光纤的OAM模式产生器则在远程交互和制作紧凑型OAM光器件上更具优势。目前，用光纤产生OAM模式的方法主要包括：利用微弯光栅或长周期光栅，引起基模与高阶模间的耦合，产生与之对应的OAM模式；利用弱熔融模式选择耦合器，通过调整输入端基模偏振和输出端高阶模相位差，产生OAM模式。这些方法都是基于普通少模光纤，因其为弱波导结构，高阶矢量模式发生简并，导致产生的OAM模式无法稳定传输，串扰问题严重，无法实现OAM模式在光纤中的各类应用。因此，设计一种在光纤中稳定产生并传输OAM模式的装置具有十分重要的意义，它可以降低产生OAM模式的调试难度且能稳定产生并传输OAM模式。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器，该OAM模式产生器结构简单、易于制备且产生的OAM模式在光纤中稳定存在与传输，在基于OAM模式复用技术的光纤通信系统中将具有非常重要的应用价值。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器，包括：一根单模光纤、一根少模光纤以及二者熔融耦合区；所述单模光纤为在使用波长区仅支持单模光传输的阶跃光纤或渐变折射率光纤；所述少模光纤为在使用波长区打破模式简并且支持高阶矢量模单独稳定传输的渐变折射率光纤；相位匹配时，单模光纤的基模定向的与少模光纤中的高阶矢量模式发生耦合，通过调整单模光纤中基模的圆偏振态，在少模光纤的输出端获得稳定的OAM模式。优选的，所述熔融耦合区的长度为1cm～4cm。优选的，所述单模光纤为按照预设直径，采用拉锥方式，获得预设直径的单模光纤。优选的，所述少模光纤纤芯折射率分布函数为其中，r是纤芯相对于其中心的距离，r0是纤芯的半径，n1为纤芯的最高折射率，Δ为纤芯最高折射率和包层折射率的相对折射率差，其值为0.02～0.3，α的值大于1.8。优选的，所述熔融耦合区由具有预设直径的单模光纤和少模光纤缠绕或平行紧密放置并熔融拉伸形成。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本专利技术提出的少模光纤打破了普通少模光纤中的模式简并，各矢量模式本征串扰低，传输损耗小，支持产生的OAM模式长距离稳定传输。2、本专利技术提出的OAM模式产生器可定向产生特定OAM模式，效率高，纯度高。3、本专利技术采用全光纤化结构，结构紧凑，易与光纤通信网络兼容。附图说明图1为实施例OAM模式产生器的结构示意图；图1中：1-单模光纤；2-少模光纤；3-熔融耦合区。图2为少模光纤横截面径向折射率分布图。图3为单模光纤中的HE11模与少模光纤中的HE21模在1550nm波长下的有效折射率随光纤直径的变化曲线。图4为OAM模式产生器在少模光纤输出端的OAM模式(l＝+1)光斑图。图5为OAM模式产生器在少模光纤输出端的OAM模式(l＝+1)与基模干涉图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1如图1所示，一种支持稳定传输的光纤OAM产生器，包括一根单模光纤1、一根少模光纤2以及熔融耦合区3。其中，单模光纤1为在使用波长区仅支持单模光传输的阶跃光纤或渐变折射率光纤；少模光纤2为在使用波长区打破模式简并且支持高阶矢量模单独稳定传输的渐变折射率光纤；熔融耦合区3的长度为1cm～4cm。将单模光纤1按照预设直径，采用拉锥方式，获得预设直径的单模光纤。再将具有预设直径的单模光纤和少模光纤缠绕或平行紧密放置，熔融拉伸形成熔融耦合区3。少模光纤2纤芯折射率分布函数为其中，r是纤芯相对于其中心的距离，r0是纤芯的半径，n1为纤芯的最高折射率，Δ为纤芯最高折射率和包层折射率的相对折射率差，其值为0.02～0.3，α的值大于1.8。少模光纤2打破了普通少模光纤中的模式简并，从而使各矢量模式可以单独、稳定地在光纤中传播。而光纤中的OAM模式实际由矢量偶模和矢量奇模叠加得到，因此，在满足相位匹配条件下，单模光纤1的基模(HE11)定向的与少模光纤2中的高阶矢量模式(HE/EH)发生耦合。通过调整单模光纤1中基模的圆偏振态，在少模光纤2的输出端获得稳定的OAM模式。按照上述实施方式，一种支持稳定传输的光纤OAM产生器，结构示意图如图1所示。使用波长为1550nm，单模光纤1为康宁SMF-28e光纤。少模光纤2的横截面径向折射率分布如图2所示，r0＝4.75μm，n1＝1.4669，Δ＝0.025，α＝2，在1550nm处支持HE11、TE01、TM01和HE21四种矢量模式。图3为单模光纤中的HE11模与少模光纤中的HE21模在1550nm波长下的有效折射率随光纤直径的变化曲线。单模光纤1的预设直径为45μm时，满足相位匹配条件，即在熔融耦合区单模光纤1中的HE11模式定向的与少模光纤2的HE21发生模时耦合。熔融耦合区的长度为3cm。调整单模光纤1中HE11模式为左圆偏振态，在少模光纤2的输出端得到左圆偏振的HE21模式，也就是拓扑荷数为+1的OAM模式，光场如图4所示，与基模干涉如图5所示。同样地，调整单模光纤1中HE11模式为右圆偏振态，在少模光纤2的输出端得到右圆偏振的HE21模式，也就是拓扑荷数为-1的OAM模式。上述实施例为本专利技术较佳的实施方式，但本专利技术的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本专利技术的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器，其特征在于，包括：一根单模光纤、一根少模光纤以及二者熔融耦合区；所述单模光纤为在使用波长区仅支持单模光传输的阶跃光纤或渐变折射率光纤；所述少模光纤为在使用波长区打破模式简并且支持高阶矢量模单独稳定传输的渐变折射率光纤；相位匹配时，单模光纤的基模定向的与少模光纤中的高阶矢量模式发生耦合，通过调整单模光纤中基模的圆偏振态，在少模光纤的输出端获得稳定的OAM模式。

【技术特征摘要】
1.一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器，其特征在于，包括：一根单模光纤、一根少模光纤以及二者熔融耦合区；所述单模光纤为在使用波长区仅支持单模光传输的阶跃光纤或渐变折射率光纤；所述少模光纤为在使用波长区打破模式简并且支持高阶矢量模单独稳定传输的渐变折射率光纤；相位匹配时，单模光纤的基模定向的与少模光纤中的高阶矢量模式发生耦合，通过调整单模光纤中基模的圆偏振态，在少模光纤的输出端获得稳定的OAM模式。2.根据权利要求1所述的支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器，其特征在于，所述熔融耦合区的长度为1cm～4cm。3.根据权利要求1所述的支...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘久林，衡小波，杨中民，张智深，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44