一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法技术

本发明专利技术公开了一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法，包括如下步骤：根据轨道角动量模式有效分离需要的模式之间的总有效折射率差值的要求，和轨道角动量模式在原始光纤中的纵向有效折射率取值，计算满足轨道角动量模式有效分离需要的在螺旋光纤中新形成的模式之间的角向有效折射率差值；利用在螺旋光纤中新形成的角向有效折射率与螺旋周期长度有关的特性，计算满足上一步骤中计算的角向有效折射率差值需要的特定设计的螺旋周期长度；对原始光纤进行加热，同时控制原始光纤的移动和旋转速度，使之扭转形成螺旋光纤。本发明专利技术保证轨道角动量模式在设计的螺旋光纤中的可靠、稳定和复用长距离传输，实现圆偏振方向和轨道角动量阶数的共同复用。

A separation method of optical fiber orbital angular momentum mode based on spiral structure

【技术实现步骤摘要】
一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法
本专利技术涉及光通信和光传感
，尤其是一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法。
技术介绍
光学轨道角动量在光通信、光传感和粒子操控等领域应用广泛，支持多种轨道角动量模式稳定复用传输的光纤是实现光学轨道角动量应用的重要光学器件。传统的光纤是通过增大纤芯和包层的折射率差，或者设计特殊结构的光纤的办法来增大属于同一简并模式的HE模式和EH模式(或TE/TM模式)的折射率差，使其实现自旋和轨道角动量同向的轨道角动量模式(基于HE模式构成的轨道角动量)与自旋和轨道角动量同向的轨道角动量模式(基于EH或TE/TM模式构成的轨道角动量)的模式分离。常见的方法有少模、多模、空芯、环芯、多芯和光子晶体光纤等方案。但是以上方法并不能分离具有相同轨道角动量阶数，但自旋方向不同的轨道角动量模式，且需要复杂的光纤设计技术和加工工艺。同时，这类特殊设计的光纤很难与光纤通信和传感系统中的传统光纤实现低损耗的连接。国内外的大量的专利和论文讨论了如何设计能稳定传输多种轨道角动量模式的光纤，但都是从增加光传播方向(纵向)的有效折射率的角度来设计的，没有采用螺旋结构的光纤来增大角向有效折射率以实现不同轨道角动量模式在光纤中的可靠、稳定和复用长距离传输的方法。另外，增大传播方向折射率的方法仅能增加具有自旋和轨道角动量方向同向(HE模式角动量)和反向(EH模式角动量)的折射率差，并不能增大具有相同轨道角动量阶数，但不同自旋方向的轨道角动量模式之间的折射率差，实现这类模式的有效分离和复用传输。<br>国内外也有大量的论文讨论了制作螺旋长周期光纤光栅，用于各种轨道角动量产生器，或者圆偏振转换器，及扭转等传感器等应用。但这类轨道角动量产生器大多是通过模式耦合产生高阶模式，然后使属于同一矢量模式HE模式(EH模式或TE/TM模式)的奇模和偶模之间产生π/2的相差以形成轨道角动量模式，没有通过光纤中的螺旋结构增大角向有效折射率以实现不同轨道角动量的模式分离的方法提出。另外螺旋光纤光栅具有在耦合波长附近的模式转换特性，导致参与耦合的模式无法稳定、可靠的传输。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法，能够保证其在设计的螺旋光纤中的可靠、稳定和复用长距离传输，并实现圆偏振方向和轨道角动量阶数的共同复用。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法，包括如下步骤：(1)根据轨道角动量模式有效分离需要的模式之间的总有效折射率差值的要求，和轨道角动量模式在原始光纤中的纵向有效折射率取值，计算满足轨道角动量模式有效分离需要的在螺旋光纤中新形成的模式之间的角向有效折射率差值，轨道角动量模式在螺旋光纤中的总有效折射率由在原始光纤中的纵向有效折射率和螺旋光纤中新形成的角向有效折射率组成；(2)利用在螺旋光纤中新形成的角向有效折射率与螺旋光纤中的轨道角动量模式的圆偏振状态、轨道角动量阶数、工作波长和螺旋光纤具有的螺旋周期长度有关的特性，计算满足步骤(1)中计算的角向有效折射率差值需要的特定设计的螺旋周期长度；(3)对原始光纤进行加热，同时控制原始光纤的移动和旋转速度，使之扭转形成步骤(2)中计算的具有特定设计的螺旋周期长度的螺旋光纤。优选的，步骤(1)中，原始光纤是具有圆对称结构的任意光纤，光纤种类包含单模光纤、少模光纤、多模光纤、空芯光纤、环芯光纤、多芯光纤和光子晶体光纤。优选的，步骤(2)中，特定设计的螺旋周期长度Λ需满足公式：Λ＝min{Λp,q}其中，下标p和q表示原始光纤中的两个轨道角动量模式p和q；min{}表示取最小值运算符号，用于获得任意两个模式分离所需要的最小螺旋周期长度；Λp,q表示分离轨道角动量模式p和q需要的特定设计的螺旋周期长度，具体表示为：其中，下标p和q表示螺旋光纤中的两个轨道角动量模式p和q；||为取绝对值运算符号；sp和sq分别是两个轨道角动量模式的自旋量子数，取值+1或-1分别表示左旋和右旋圆偏振状态；lp和lq分别是两个轨道角动量模式的轨道角动量阶数，取值为整数；λmin为轨道角动量模式的工作波长范围内的最小波长；Δn为期望获得的轨道角动量模式间的有效折射率差，一般取Δn＞1×10-4；分别是两个轨道角动量模式在扭转前原始光纤中的纵向有效折射率，满足条件优选的，步骤(3)中，加热扭转方法是围绕加热后的原始光纤的中心进行同轴扭转，最终形成特定设计的螺旋周期长度的同轴螺旋结构的螺旋光纤；加热光纤的方式选用氢氧焰或者二氧化碳激光器加热的加热方式。本专利技术的有益效果为：本专利技术制作方法简单，能在传统光纤加工设备上实现，克服了传统轨道角动量光纤(少模、空芯、环芯、多芯和光子晶体等光纤)需要特别的光纤设计和加工工艺，难以大规模、低成本生产的问题；按照提出的设计制作方法加工后的光纤表面基本没有任何变形和损伤，可以保持原有的传输特性，能和扭转前的原光纤低损耗的连接；通过本专利技术，还可以解决以往轨道角动量光纤无法分离具有相同轨道角动量阶数，不同圆偏振方向的轨道角动量模式问题，即通过本专利技术的设计和制作的螺旋结构可实现轨道角动量和圆偏振的复用传输；本专利技术的应用范围不仅包含螺旋光纤，还包含运用此方法设计的基于螺旋光纤的轨道角动量模式耦合器、变换器、产生器和放大器等器件。附图说明图1为本专利技术形成螺旋光纤的结构原理示意图。图2为本专利技术制作螺旋光纤的实验原理示意图。图3为本专利技术显微镜观测到的基于单模光纤实际制作的螺旋光纤示意图。图4为本专利技术形成螺旋结构之前的原始单模光纤的模式有效折射率仿真结果示意图。图5为本专利技术形成螺旋结构之后的螺旋单模光纤的模式有效折射率示意图。图6(a)为本专利技术分离出来的+1阶的轨道角动量模式和高斯球面波的干涉条纹示意图。图6(b)为本专利技术分离出来的-1阶的轨道角动量模式和高斯球面波的干涉条纹示意图。图6(c)为本专利技术分离出来的+1轨道角动量模式的光斑示意图。图6(d)为本专利技术分离出来的-1轨道角动量模式的光斑示意图。图7为本专利技术形成螺旋结构之前的原始四模光纤的模式有效折射率仿真结果示意图。图8为本专利技术形成螺旋结构之后的螺旋四模光纤的模式有效折射率仿真结果示意图。图9(a)为本专利技术分离出来的+2阶的轨道角动量模式和高斯球面波的干涉条纹示意图。图9(b)为本专利技术分离出来的-2阶的轨道角动量模式和高斯球面波的干涉条纹示意图。图9(c)为本专利技术分离出来的+2轨道角动量模式的光斑示意图。图9(d)为本专利技术分离出来的-2轨道角动量模式的光斑示意图。图10为本专利技术观测并确认模式分离的观测原理示意图。具体实施方式本专利技术的技术方案采用同步控制原始光纤的加热、移动和旋转来实现。将加热至熔融状态的原始光纤同步移动和旋转，形成具有特定设计的螺旋周期长度结构的螺旋光纤。形成的特定设计的螺旋周期长度Λ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)根据轨道角动量模式有效分离需要的模式之间的总有效折射率差值的要求，和轨道角动量模式在原始光纤中的纵向有效折射率取值，计算满足轨道角动量模式有效分离需要的在螺旋光纤中新形成的模式之间的角向有效折射率差值，轨道角动量模式在螺旋光纤中的总有效折射率由在原始光纤中的纵向有效折射率和螺旋光纤中新形成的角向有效折射率组成；/n(2)利用在螺旋光纤中新形成的角向有效折射率与螺旋光纤中的轨道角动量模式的圆偏振状态、轨道角动量阶数、工作波长和螺旋光纤具有的螺旋周期长度有关的特性，计算满足步骤(1)中计算的角向有效折射率差值需要的特定设计的螺旋周期长度；/n(3)对原始光纤进行加热，同时控制原始光纤的移动和旋转速度，使之扭转形成步骤(2)中计算的具有特定设计的螺旋周期长度的螺旋光纤。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据轨道角动量模式有效分离需要的模式之间的总有效折射率差值的要求，和轨道角动量模式在原始光纤中的纵向有效折射率取值，计算满足轨道角动量模式有效分离需要的在螺旋光纤中新形成的模式之间的角向有效折射率差值，轨道角动量模式在螺旋光纤中的总有效折射率由在原始光纤中的纵向有效折射率和螺旋光纤中新形成的角向有效折射率组成；
(2)利用在螺旋光纤中新形成的角向有效折射率与螺旋光纤中的轨道角动量模式的圆偏振状态、轨道角动量阶数、工作波长和螺旋光纤具有的螺旋周期长度有关的特性，计算满足步骤(1)中计算的角向有效折射率差值需要的特定设计的螺旋周期长度；
(3)对原始光纤进行加热，同时控制原始光纤的移动和旋转速度，使之扭转形成步骤(2)中计算的具有特定设计的螺旋周期长度的螺旋光纤。


2.如权利要求1所述的基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法，其特征在于，步骤(1)中，原始光纤是具有圆对称结构的任意光纤，光纤种类包含单模光纤、少模光纤、多模光纤、空芯光纤、环芯光纤、多芯光纤和光子晶体光纤。


3.如权利要求1所述的基于螺旋结构的光纤轨道角...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵华，李洪谱，王鹏，郝媛媛，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32