一种涡旋光束与光纤高效耦合系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种涡旋光束与光纤耦合系统及方法，属于光通信技术领域。本系统包括测距装置，本方法基于该系统，利用测距装置测量发射端和接收端之间的距离，综合衍射展宽和大气湍流展宽，获得涡旋光束经空间传输后的扩展光斑半径，以确定可变焦透镜的焦距，使得空间涡旋光束经过透镜聚焦后，能与光纤涡旋模式的光斑尺寸匹配，提高耦合效率；同时，本方法采用拉盖尔

【技术实现步骤摘要】
一种涡旋光束与光纤高效耦合系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种涡旋光束与光纤高效耦合系统及方法，属于光通信


技术介绍

[0002]在空
‑
地激光通信中，空间光束经过大气传输后，通常需耦合进光纤中，经功率放大后再进行信号探测或陆地传输。因此，提高空间光束的光纤耦合效率在空
‑
地通信系统构建中是非常重要的。目前的研究多集中于空间高斯光束与单模光纤的耦合，已形成较为成熟的技术和装置。但面对日益增长的大数据传输需求，单模光纤的传输容量已接近其非线性香农极限，继续提升的空间不大。相较于单模光纤只能传输单个激光模式(即基模高斯光束)，少模光纤可允许多个携带不同轨道角动量、相互正交的高阶激光模式在其中同时传输，能够大大提高通信容量，具有诱人的应用前景。涡旋光束正是一类具有螺旋相位波前、携带轨道角动量的特殊光束，因此用涡旋光束代替高斯光束，研究其与少模光纤的耦合，受到了学术界和产业界的关注。
[0003]在涡旋光束和少模光纤的耦合中，优选光束和光纤种类是至关重要的。涡旋光束种类多样，相对应的光场模式各异，而不同结构的少模光纤中支持传输的涡旋光场模式也不尽相同。在目前的报道中，拉盖尔
‑
高斯涡旋光束和常规阶跃型少模光纤凭借易于构造、应用广泛的优点迅速受到了关注，在涡旋光场模式阶数较低时取得了较好的耦合效果。但不足之处在于两者的涡旋光场模式不能完全匹配，且匹配度随着模式阶数的增大而减小，使得高阶模的耦合效率明显下降。
[0004]此外，空间光束在大气中传输时，会受到衍射和大气湍流的影响，引起光斑扩展、光束漂移、模式串扰等现象。涡旋光束的光斑扩展程度随传输环境而异，但受光纤孔径的限制，光纤涡旋模的光斑尺寸却是一定的。因此，对于光斑扩展较大的涡旋光束，当采用固定焦距的透镜时，很可能无法将其完全聚焦到光纤中，造成耦合效率的下降。采用可变焦透镜代替固定焦距透镜，有助于涡旋光束和光纤涡旋模在光斑尺寸上的匹配，关键在于如何快速准确地确定可变焦透镜的最佳焦距，而当前还未有人提出过涡旋光束与光纤耦合时确定最佳焦距的具体方案。

技术实现思路

[0005]为了解决现有涡旋光束和光纤无法高效耦合的问题，本专利技术提供了一种涡旋光束与光纤高效耦合的系统及方法。
[0006]本专利技术的第一个目的在于提供一种涡旋光束与光纤高效耦合系统，所述系统包括：半导体激光器、螺旋相位板、可变焦透镜、少模光纤、测距装置和计算机；
[0007]所述测距装置用于测量光束发射端到接收端的距离；所述计算机分别与所述可变焦透镜和所述测距装置连接，用于采集所述测距装置的测量结果，在此基础上计算所述可变焦透镜的最佳焦距并控制调节所述可变焦透镜的焦距；所述半导体激光器的出射光束依次通过所述螺旋相位板、湍流大气、所述可变焦透镜，最终由所述少模光纤接收，实现涡旋
光束与光纤的耦合。
[0008]可选的，所述少模光纤为抛物型渐变少模光纤。
[0009]可选的，所述测距装置包括：激光测距仪和测距标靶；所述激光测距仪发出的光束经所述测距标靶反射后，原路返回被所述激光测距仪接收；所述计算机与所述激光测距仪连接。
[0010]可选的，所述测距标靶的反射面和所述螺旋相位板的透射面位于同一竖直平面内，所述激光测距仪的出射面和所述可变焦透镜的入射面位于同一竖直平面内。
[0011]本专利技术的第二个目的在于提供一种涡旋光束与光纤高效耦合的方法，其特征在于，所述方法基于上述涡旋光束与光纤高效耦合系统实现，所述方法包括：
[0012]步骤一：利用测距装置测量发射端和接收端的距离；
[0013]步骤二：利用发射端和接收端之间的距离计算该传输距离下拉盖尔
‑
高斯涡旋光束的扩展光斑半径；
[0014]步骤三：根据步骤二得出的拉盖尔
‑
高斯涡旋光束的扩展光斑半径计算可变焦透镜的最佳焦距值；
[0015]步骤四：根据计算得到的最佳焦距值，调节可变焦透镜的焦距和抛物型渐变少模光纤到透镜的距离，使抛物型渐变少模光纤位于可变焦透镜的焦点处；
[0016]步骤五：半导体激光器的出射光束通过螺旋相位板转换成拉盖尔
‑
高斯涡旋光束，经湍流大气进行空间传输后，由可变焦透镜接收并聚焦到抛物型渐变少模光纤中，实现涡旋光束与光纤的耦合。
[0017]可选的，所述可变焦透镜的最佳焦距f
opt
为：
[0018][0019]其中，w
z
为拉盖尔
‑
高斯涡旋光束的扩展光斑半径，w
f0
为抛物型渐变少模光纤的基模束腰，λ为光束波长，p为径向阶数，l为角向阶数。
[0020]可选的，所述拉盖尔
‑
高斯涡旋光束的扩展光斑半径w
z
为：
[0021][0022]其中，z为发射端到接收端的距离，w0为拉盖尔
‑
高斯涡旋光束基模束腰，κ为三维空间波数，Φ(κ)为湍流折射率起伏功率谱。
[0023]可选的，所述抛物型渐变少模光纤的基模束腰w
f0
为：
[0024][0025]其中，r0为抛物型渐变少模光纤纤芯半径，n0为光纤中轴线处折射率，β为光纤折射率色散参数。
[0026]可选的，所述拉盖尔
‑
高斯涡旋光束w0＝0.02m，λ＝1.55μm，p＝0，l＝1。
[0027]可选的，所述抛物型渐变少模光纤r0＝30μm，n0＝1.45，β＝0.01。
[0028]本专利技术有益效果是：
[0029]提供一种涡旋光束与光纤高效耦合系统，系统中包含半导体激光器、螺旋相位板、
可变焦透镜、抛物型渐变少模光纤、测距装置和计算机；所述系统利用测距装置测量光束从发射端到接收端的距离；基于上述系统，本专利技术还提供一种涡旋光束与光纤高效耦合的方法，在实现涡旋光束和光纤的耦合时，利用测距装置测量发射端到接收端的距离，根据该测距结果，计算机可快速准确地计算出可变焦透镜在不同传输距离下的最佳焦距，并对焦距进行调节，从而提高涡旋光束与光纤涡旋模的光斑尺寸匹配度，降低了涡旋光束在空间传输时光斑扩展的不利影响，大大提升了耦合效率；同时，半导体激光器的出射光束通过螺旋相位板生成拉盖尔
‑
高斯涡旋光束，接收光纤选择抛物型渐变少模光纤，两者之间可实现涡旋模式的完全匹配，进一步提升了耦合效率。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]图1是一种可实现涡旋光束与光纤高效耦合的系统示意图。
[0032]图2是拉盖尔
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高斯涡旋光束的光场分布图。
[0033]图3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡旋光束与光纤高效耦合系统，其特征在于，所述系统包括半导体激光器、螺旋相位板、可变焦透镜、少模光纤、测距装置和计算机；所述测距装置用于测量光束发射端到接收端的距离；所述计算机分别与所述可变焦透镜和所述测距装置连接，用于采集所述测距装置的测量结果，在此基础上计算所述可变焦透镜的最佳焦距并控制调节所述可变焦透镜的焦距；所述半导体激光器的出射光束依次通过所述螺旋相位板、湍流大气、所述可变焦透镜，最终由所述少模光纤接收，实现涡旋光束与光纤的耦合。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述少模光纤为抛物型渐变少模光纤。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述测距装置包括：激光测距仪和测距标靶；所述激光测距仪发出的光束经所述测距标靶反射后，原路返回被所述激光测距仪接收；所述计算机与所述激光测距仪连接。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述测距标靶的反射面和所述螺旋相位板的透射面位于同一竖直平面内，所述激光测距仪的出射面和所述可变焦透镜的入射面位于同一竖直平面内。5.一种涡旋光束与光纤高效耦合的方法，其特征在于，所述方法基于权利要求4所述的涡旋光束与光纤高效耦合系统实现，所述方法包括：步骤一：利用测距装置测量发射端和接收端的距离；步骤二：根据发射端和接收端之间的距离计算该传输距离下拉盖尔
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高斯涡旋光束的扩展光斑半径；步骤三：根据步骤二得出的拉盖尔
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高斯涡旋光束的扩展光斑半径计算可变焦透镜的最佳焦距值；步骤四：根据计算得到的最佳焦距值，调节可变焦透镜的焦距和抛物型...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞琳，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：