一种新型涡旋光场探测装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是一种新型涡旋光场探测装置。其特征是：它由输入涡旋光纤1、模式转换拉锥区2、低折射率套管3、异质多芯光纤4、扇入扇出过渡区5、多孔毛细管6、双包层过渡光纤7、单模光纤8、相位调制器9、光纤耦合器10和单模输出端口11组成。本发明专利技术可用于光纤中涡旋光的探测、分类和解复用，可广泛用于大容量光纤轨道角动量通信系统中。角动量通信系统中。角动量通信系统中。

【技术实现步骤摘要】
一种新型涡旋光场探测装置
(一)

[0001]本专利技术涉及的是一种新型涡旋光场探测装置，可用于基于轨道角动量复用的光纤通信系统中，属于光纤通信

(二)
技术介绍

[0002]随着5G通信时代的来临，基于单模光纤的传统通信系统已经无法满足日益增长的通信带宽和信道容量需求。研究者逐步开发出波分复用、偏振复用和空分复用等多种通信方法来扩展信道容量。近几年来，科研人员又提出了一种基于涡旋光的通信系统，其理论上使用光的轨道角动量传输和承载信息能极大的提高频谱效率，并且可以与传统的复用方法叠加，从而突破带宽限制。在此背景下，载有多阶轨道角动量的涡旋信号解调成为了亟待解决重要问题。
[0003]光波除了携带动量外，还可以携带角动量。光子的角动量由光束通过空间传输后发生的旋转所产生，偏振矢量的旋转产生了自旋角动量(Spin AngularMonmentum,SAM)；光的波前旋转产生了轨道角动量(Orbital AngularMomentum,OAM)。光的自旋角动量对应着光的偏振态，而光的轨道角动量则对应着光的空间模式。轨道角动量复用并不依赖于波长或者偏振态，这说明OAM 复用可以兼容于波分复用系统和偏振复用系统，于此同时，对于带有OAM的涡旋光束的信号也需要一种与波长和偏振无关的解调方法。
[0004]传统涡旋光的探测与解调方法主要依赖于空间光学器件，主要的方法有衍射法、干涉法和模式转换法等。衍射法的主要原理是将空间涡旋光束输入矩形方孔或衍射光栅上，涡旋光束经过矩形方孔的远场衍射图案可用来判别OAM的状态，衍射光栅法则将涡旋光束转换为高斯光束来探测指定阶数的涡旋光；干涉法则需要将涡旋光束与相干的平面光束合束，产生具有螺旋形式的条纹，通过干涉图样信息判别轨道角动量的阶数；模式转换法则利用空间光调制器等将涡旋光束转化为拉盖尔高斯光束或厄米高斯光束；另外，利用螺旋光纤光栅也可以将光纤中的涡旋光束转换为高斯光束，但其具有波长敏感性，只有特定波长的光束可实现转换。以上几种涡旋光束的检测方法或需要大量空间学的器件，或具有波长或偏振限制无法兼容于现有的光纤通信系统。
[0005]光子灯笼是近十几年兴起的一种波导器件，能实现单模光纤与多模光纤之间模式低损耗耦合功能，是一种理想的光纤通信模分复用器件。光子灯笼连接单个多模波导与多个单模波导，一般通过低折射率毛细套管约束多根异质单模光纤熔融拉锥制备。光子灯笼是一种互易性器件，它既能实现将光纤的基模转换至特定高阶模式的模式复用器功能，也能实现将高阶模式解调并耦合至对应单模端口的光纤模式解复用器功能。如何将传统的光子灯笼改造为轨道角动量系统所需要的涡旋光模式转换器件是本专利技术专利的重要创新点。
[0006]申请号为201810966528.2的专利提出了一种基于光子灯笼的OAM模式复用器件、制造方法及复用方法，该方法使用传统的不同单模光纤合束熔融拉锥方法将输入单模转换为光纤矢量模式，在将输出少模光纤缠绕至模式偏振控制器的方法获得涡旋光束。通过该器件可实现高斯光束与涡旋光束的转换，但是该专利技术专利需要使用模式偏振控制器进行机
械调节，稳定性不够高。由于多芯光纤在弯曲时不同纤芯的位置不同，纤芯受到的影响不同，该方法无法应用于多芯空分复用的涡旋光解调系统中。
[0007]申请号为201910359407.6的专利提出了一种轨道角动量光子灯笼的制作方法，该方法将光纤束置于低折射率玻璃套管内，通过控制拉锥长度来获得 OAM模式。通过该器件可实现高斯光束与涡旋光束的转换，可实现
±
1阶和0阶涡旋光束的探测，但无法探测更高阶数的涡旋光。由于同时插入套管中的光纤无法大量增加，该专利技术专利无法扩展至多芯空分复用的涡旋光探测解调系统中。
[0008]申请号为202010207437.8的专利提出了一种光子灯笼型简并模组复用解复用器及传输方法，该专利技术专利设计的光子灯笼仅能产生光纤矢量光束，无法直接用于涡旋光束的探测和解复用。
[0009]本专利技术公开了一种新型涡旋光场探测装置，可用于轨道角动量复用的光纤通信系统中，克服了传统轨道角动量光束的探测中对波长、偏振等因素的限制，能将载有各阶轨道角动量的涡旋光束转化为高斯光束，实现对涡旋光束的在线探测。
(三)
技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种新型涡旋光场探测装置。
[0011]本专利技术的目的是这样实现的：
[0012]它由输入涡旋光纤1、模式转换拉锥区2、低折射率套管3、异质多芯光纤4、扇入扇出过渡区5、多孔毛细管6、双包层过渡光纤7、单模光纤8、相位调制器9、光纤耦合器10和单模输出端口11组成。所述系统中由输入涡旋光纤 1传入的涡旋光束被注入至模式转换拉锥区2，由于该结构符合绝热转换和涡旋相位匹配条件，输入的各阶涡旋光束被转换为异质多芯光纤4中单一纤芯或两相邻纤芯的传导模式，异质多芯光纤中的传导模式注入扇入扇出过渡区5输出至对应双包层过渡光纤7中，该扇入扇出过渡区由多孔毛细管6中插入特制的双包层过渡光纤拉锥加工制成，可将异质多芯光纤4中每个纤芯导模转换至输出光纤中，双包层过渡光纤7中的信号光传输至模场匹配的单模光纤8后，其中几路信号经过相位调制器9和光纤耦合器10输出至探测器，采用相位调制器和耦合器的目的是探测对应信号之间的强度和相位关系，以区分阶数相同旋向不同的涡旋光，另外几路信号则确定相位关系，直接输出至探测器。
[0013]本专利技术专利实现涡旋光束至高斯光束转换的关键在于模式转换拉锥区的设计，该区域可以将输入涡旋光束中载有不同阶轨道角动量的光波进行分离，并且转换分别转换至各输出信道中，各个阶数的轨道角动量光束和各输出信道中的高斯光束一一对应。
[0014]本专利技术专利的核心是异质多芯光纤和低折射率套管装配拉锥成的模式转换拉锥区。现以附图2的局部结构来说明，模式转换拉锥区的工作原理。图中的光纤输入端为可容纳多阶涡旋光束的少模光纤，其可传导的本征模式是光纤基模或光纤高阶模式，而光纤中的涡旋模式可由光纤各阶模式组合而成。下式是涡旋模式与光纤各阶模式之间的表达式，
[0015]公式中OAM代表光纤中带有轨道角动量的高阶涡旋光束模式，模式的拓扑荷数和阶数由表达式的第一下标确定，第二下标代表了模式径向的波节数量，模式上标代表了其偏振态。公式右端的HE、EH、TE、TM均为光纤的矢量模式，其上标even和odd代表了模式的对称性，下标定义与涡旋模式相同。公式中的虚数符号i代表了模式之间存在π/2的相位差值。该表达式说明光纤中的矢量模式与涡旋模式是可互相转换的。
[0016]异质多芯光纤端的模式与普通的光纤模式稍有不同，传统意义上，我们认为多芯光纤中各纤芯均为各自的基模，但在本专利技术专利的中，我们需要整体考虑多芯光纤的超模特征。在本异质多芯光纤中最多有两个纤芯具有相同的结构参数，他们的基模之间会产生相互耦合，形成了一种能量分布于两个纤芯的超模，其能量分布仍为基模高斯形状，但两个相同纤芯中的波前相位则有所区别，如果两个纤芯中基模相位相同，我们称之为对称超模，而相位相差π的另本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型涡旋光场探测装置，其特征是：它由输入涡旋光纤(1)、模式转换拉锥区(2)、低折射率套管(3)、异质多芯光纤(4)、扇入扇出过渡区(5)、多孔毛细管(6)、双包层过渡光纤(7)、单模光纤(8)、相位调制器(9)、光纤耦合器(10)和单模输出端口(11)组成，所述系统中由输入涡旋光纤1传入的涡旋光束被注入至模式转换拉锥区(2)，由于该结构符合绝热转换和涡旋相位匹配条件，输入的各阶涡旋光束被转换为异质多芯光纤(4)中单一纤芯或两相邻纤芯的传导模式，异质多芯光纤中的传导模式注入扇入扇出过渡区(5)输出至对应双包层过渡光纤(7)中，该扇入扇出过渡区由多孔毛细管(6)中插入特制的双包层过渡光纤拉锥加工制成，可将异质多芯光纤(4)中每个纤芯导模转换至输出光纤中，双包层过渡光纤(7)中的信号光传输至模场匹配的单模光纤(8)后，其中几路信号经过相位调制器(9)和光纤耦合器(10)输出至探测器，采用相位调制器和耦合器的目的是探测对应信号之间的强度和相位关系，另外几路信号则确定相位关系，直接输出至探测器。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，王东辉，王洪业，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：