一种奇异光束的离轴任意分解装置、方法及装置设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种奇异光束的离轴任意分解装置、方法及装置设计方法，涉及光信息处理领域，装置包括第一超构表面，第一超构表面用于执行光束的几何变换；第二超构表面，第二超构表面与第一超构表面相对设置，第二超构表面用于执行光束的相位校正；本发明专利技术通过在第一超构表面将入射奇异光束按比例需求任意分解为多个互补扇形光束，每一个扇形光束在空间传输过程中分别形成环状光束，并通过第二超构表面上对多个环状光束同时进行相位校正并还原模式特性，以实现对入射光束的离轴任意分解，装置执行任意比例分解并不依赖于入射奇异光束的大小，兼容响应奇异相位/偏振模式，具有体积小、集成度高、工艺复杂度低、调控灵活和模式分解性能好的优点。解性能好的优点。解性能好的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种奇异光束的离轴任意分解装置、方法及装置设计方法


[0001]本专利技术涉及光信息处理领域，尤其涉及一种奇异光束的离轴任意分解装置、方法及装置设计方法。

技术介绍

[0002]奇异光束，通常指的是涡旋光束(Vortex beam)、柱矢量光束(Cylindrical vector beam)和柱矢量涡旋光束(Cylindrical vector vortex beam)，奇异光束通常具有奇异相位/偏振的光场横向分布特性，光束的截面光场强度分布均表现为一个环状，且上述三种光束模式均可以看作是(左旋/右旋)圆偏振涡旋光束模式为基矢的组合叠加，即奇异光束模式的基本单元可以看作是(左旋/右旋)圆偏振涡旋光束模式，此外，不同涡旋光束模式之间相互正交，且模式理论上具有无穷性，这些特性助推了奇异相位/偏振模式相关的模分复用技术在大容量高速光通信的快速发展，并已经展现了在自由空间和光纤通信中的重大应用前景。
[0003]此外，奇异光束模式相关的调控可用无源光器件实现，因此模式被认为是构建新型无源光网络以实现高速通信和全光互连的重要维度，在全光网络互连节点中，当高阶的模式信道需要连接到多个离轴低阶的模式信道，以实现类似“终端——多用户连接”的数据互连和分发需求，则对模式的离轴分解是其中的关键问题。其中，光学几何变换方法在调控模式分解方面展示了明显的优势，例如，一种分解方案为，基于两步调制的对数极坐标变换，将携带着轨道角动量模式的涡旋光束映射成横向相位分布的矩形平面波，截取部分矩形区域再进行反相坐标变换以实现涡旋光束模式的有效分解，然而此种方案存在严重的系统冗余和功率损失；而方位缩放的螺旋坐标变换利用螺旋线形的映射和复原的方案，在模式分解上表现出更高的性能，但仍均在着明显的功率损耗；此外，上述两种方案均只能将高阶模式分解成单一的低阶模式，限制了模式分解的灵活性。此外，上述两种分解方案均只能对涡旋光束进行分解，无法同时对柱矢量光束和柱矢量涡旋光束进行分解，因此现有技术仍有待进一步发展和突破。

技术实现思路

[0004]鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种奇异光束的离轴任意分解装置、方法及装置设计方法，旨在解决如何实现兼容光束奇异相位/偏振模式的离轴任意分解，以满足光网络节点中信道数据连接与分发等应用需求的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本申请实施例第一方面提供了一种奇异光束的离轴任意分解装置，该装置包括：
[0006]第一超构表面，所述第一超构表面用于执行光束的几何变换；
[0007]第二超构表面，所述第二超构表面与所述第一超构表面相对设置，所述第二超构表面用于执行光束的相位校正。
[0008]作为进一步改进技术方案，所述第一超构表面和第二超构表面均为偏振不敏感超
构表面。
[0009]作为进一步改进技术方案，所述偏振不敏感超构表面包括基底和若干个不同半径大小的纳米圆柱结构，若干个所述纳米圆柱结构在所述基底上均匀分布并垂直于所述基底。
[0010]作为进一步改进技术方案，所述基底采用的材料为二氧化硅，所述纳米圆柱结构采用的材料为硅。
[0011]作为进一步改进技术方案，所述纳米圆柱结构高度为800nm。
[0012]作为进一步改进技术方案，所述第一超构表面与第二超构表面之间的距离为2mm，所述偏振不敏感超构表面的平面大小为0.64mm2。
[0013]本申请实施例第二方面提供了一种奇异光束的离轴任意分解方法，包括：
[0014]将所述奇异光束垂直射向第一超构表面；
[0015]所述第一超构表面将入射的所述奇异光束按预设比例分解为多个扇形光束，多个所述扇形光束分别射向第二超构表面，其中，所述扇形光束在射向所述第二超构表面的过程中收缩变换成环状光束；
[0016]所述第二超构表面分别对多个所述环状光束进行相位校正，得到校正后的光束，完成奇异光束的离轴分解，其中，所述校正后的光束与入射的所述奇异光束具有相同的奇异特征。
[0017]本申请实施例第三方面提供了一种奇异光束的离轴任意分解装置设计方法，包括：
[0018]通过第一极坐标分布表达式确定第一层相位平面；
[0019]通过第二极坐标分布表达式确定第二层相位平面；
[0020]基于所述第一层相位平面、所述第二层相位平面和预设相位半径对应信息依次确定若干个纳米圆柱结构的半径大小并在基底上排列若干个所述纳米圆柱结构的位置，获得若干个所述纳米圆柱结构在基底上的周期性分布。
[0021]作为进一步改进技术方案，所述第一极坐标分布表达式为：
[0022][0023]式中，
[0024]作为进一步改进技术方案，所述第二极坐标分布表达式为：
[0025][0026]式中，
[0027]其中，第一极坐标分布表达式和第二极坐标分布表达式中，n为分解的个数，aj和
bj为比例常数，mj为分解比例因子，其满足0<|mj|<1，分解扇形角度大小满足θj＝(|mj|+2|mj
‑
1|
‑
1)π，m0＝0，θj∈[
‑
π,π]，f为两层级联间距，为相位剪切函数，其函数表达式为：
[0028][0029]其中，H为阶跃函数。
[0030]有益效果：相较于现有技术本专利技术的装置包括，第一超构表面，所述第一超构表面用于执行光束的几何变换；第二超构表面，所述第二超构表面与所述第一超构表面相对设置，所述第二超构表面用于执行光束的相位校正；本专利技术采用上述装置后，通过在第一超构表面，将入射奇异光束按比例需求任意分解为多个互补扇形光束，每一个扇形光束在空间传输过程中分别形成环状光束，并通过第二超构表面上对多个环状光束同时进行相位校正并还原模式特性，以实现对入射光束的奇异相位/偏振模式的离轴任意分解，所述装置执行任意比例分解并不依赖于入射奇异光束的大小，并且具有兼容响应奇异相位/偏振模式的特性，所述装置具有体积小，集成度高，工艺复杂度低，调控灵活，模式分解性能好等优点，在奇异光束模式调制和模式光网络互连等领域有着潜在的应用前景。
附图说明
[0031]图1是本专利技术奇异光束的离轴任意分解装置结构图。
[0032]图2是本专利技术奇异光束的离轴任意分解方法流程图。
[0033]图3是本专利技术奇异光束的离轴任意分解装置设计方法流程图。
[0034]图4是本专利技术奇异光束的离轴任意分解装置对入射涡旋光束模式分别执行两种不同分解比例前后的光强和相位分布图。
[0035]图5是本专利技术奇异光束的离轴任意分解装置对入射柱矢量光束模式分别执行两种不同分解比例前后的光强和矢量检测特征图。
[0036]图6是本专利技术奇异光束的离轴任意分解装置对入射柱矢量涡旋光束模式分别执行两种不同分解比例前后的光强和矢量检测特征图。
[0037]图7是本专利技术纳米圆柱结构的半径和相位对应关系图。
[0038]本专利技术目的的实现、功能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种奇异光束的离轴任意分解装置，其特征在于，该装置包括：第一超构表面，所述第一超构表面用于执行光束的几何变换；第二超构表面，所述第二超构表面与所述第一超构表面相对设置，所述第二超构表面用于执行光束的相位校正。2.根据权利要求1所述的一种奇异光束的离轴任意分解装置，其特征在于，所述第一超构表面和第二超构表面均为偏振不敏感超构表面。3.根据权利要求2所述的一种奇异光束的离轴任意分解装置，其特征在于，所述偏振不敏感超构表面包括基底和若干个不同半径大小的纳米圆柱结构，若干个所述纳米圆柱结构在所述基底上均匀分布并垂直于所述基底。4.根据权利要求3所述的一种奇异光束的离轴任意分解装置，其特征在于，所述基底采用的材料为二氧化硅，所述纳米圆柱结构采用的材料为硅。5.根据权利要求4所述的一种奇异光束的离轴任意分解装置，其特征在于，所述纳米圆柱结构高度为800nm。6.根据权利要求5所述的一种奇异光束的离轴任意分解装置，其特征在于，所述第一超构表面与第二超构表面之间的距离为2mm，所述偏振不敏感超构表面的平面大小为0.64mm2。7.一种奇异光束的离轴任意分解方法，所述方法应用于权利要求5所述奇异光束的离轴任意分解装置，其特征在于，包括：将所述奇异光束垂直射向第一超构表面；所述第一超构表面将入射的所述奇异光束按预设比例分解为多个扇形光束，多个所述扇形光束分别射向第二超构表面，其中，所述扇形光束在射向所述第二超构表面的过程中收...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾庆计，贺炎亮，王晶，吴海生，谢智强，刘俊敏，李瑛，范滇元，陈书青，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：