[發明專利]一種基于螺旋結構的光纖軌道角動量模式分離方法

有效

• 申請號: 202010096061.8
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111323903B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 趙華;李洪譜;王鵬;郝媛媛
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 王安琪

本發明公開了一種基于螺旋結構的光纖軌道角動量模式分離方法，包括如下步驟：根據軌道角動量模式有效分離需要的模式之間的總有效折射率差值的要求，和軌道角動量模式在原始光纖中的縱向有效折射率取值，計算滿足軌道角動量模式有效分離需要的在螺旋光纖中新形成的模式之間的角向有效折射率差值；利用在螺旋光纖中新形成的角向有效折射率與螺旋周期長度有關的特性，計算滿足上一步驟中計算的角向有效折射率差值需要的特定設計的螺旋周期長度；對原始光纖進行加熱，同時控制原始光纖的移動和旋轉速度，使之扭轉形成螺旋光纖。本發明保證軌道角動量模式在設計的螺旋光纖中的可靠、穩定和復用長距離傳輸，實現圓偏振方向和軌道角動量階數的共同復用。

技術領域

本發明涉及光通信和光傳感技術領域，尤其是一種基于螺旋結構的光纖軌道角動量模式分離方法。

背景技術

光學軌道角動量在光通信、光傳感和粒子操控等領域應用廣泛，支持多種軌道角動量模式穩定復用傳輸的光纖是實現光學軌道角動量應用的重要光學器件。傳統的光纖是通過增大纖芯和包層的折射率差，或者設計特殊結構的光纖的辦法來增大屬于同一簡并模式的HE模式和EH模式(或TE/TM模式)的折射率差，使其實現自旋和軌道角動量同向的軌道角動量模式(基于HE模式構成的軌道角動量)與自旋和軌道角動量同向的軌道角動量模式(基于EH或TE/TM模式構成的軌道角動量)的模式分離。常見的方法有少模、多模、空芯、環芯、多芯和光子晶體光纖等方案。但是以上方法并不能分離具有相同軌道角動量階數，但自旋方向不同的軌道角動量模式，且需要復雜的光纖設計技術和加工工藝。同時，這類特殊設計的光纖很難與光纖通信和傳感系統中的傳統光纖實現低損耗的連接。

國內外的大量的專利和論文討論了如何設計能穩定傳輸多種軌道角動量模式的光纖，但都是從增加光傳播方向(縱向)的有效折射率的角度來設計的，沒有采用螺旋結構的光纖來增大角向有效折射率以實現不同軌道角動量模式在光纖中的可靠、穩定和復用長距離傳輸的方法。另外，增大傳播方向折射率的方法僅能增加具有自旋和軌道角動量方向同向(HE模式角動量)和反向(EH模式角動量)的折射率差，并不能增大具有相同軌道角動量階數，但不同自旋方向的軌道角動量模式之間的折射率差，實現這類模式的有效分離和復用傳輸。

國內外也有大量的論文討論了制作螺旋長周期光纖光柵，用于各種軌道角動量產生器，或者圓偏振轉換器，及扭轉等傳感器等應用。但這類軌道角動量產生器大多是通過模式耦合產生高階模式，然后使屬于同一矢量模式HE模式(EH模式或TE/TM模式)的奇模和偶模之間產生π/2的相差以形成軌道角動量模式，沒有通過光纖中的螺旋結構增大角向有效折射率以實現不同軌道角動量的模式分離的方法提出。另外螺旋光纖光柵具有在耦合波長附近的模式轉換特性，導致參與耦合的模式無法穩定、可靠的傳輸。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于，提供一種基于螺旋結構的光纖軌道角動量模式分離方法，能夠保證其在設計的螺旋光纖中的可靠、穩定和復用長距離傳輸，并實現圓偏振方向和軌道角動量階數的共同復用。

為解決上述技術問題，本發明提供一種基于螺旋結構的光纖軌道角動量模式分離方法，包括如下步驟：

(1)根據軌道角動量模式有效分離需要的模式之間的總有效折射率差值的要求，和軌道角動量模式在原始光纖中的縱向有效折射率取值，計算滿足軌道角動量模式有效分離需要的在螺旋光纖中新形成的模式之間的角向有效折射率差值，軌道角動量模式在螺旋光纖中的總有效折射率由在原始光纖中的縱向有效折射率和螺旋光纖中新形成的角向有效折射率組成；

(2)利用在螺旋光纖中新形成的角向有效折射率與螺旋光纖中的軌道角動量模式的圓偏振狀態、軌道角動量階數、工作波長和螺旋光纖具有的螺旋周期長度有關的特性，計算滿足步驟(1)中計算的角向有效折射率差值需要的特定設計的螺旋周期長度；

(3)對原始光纖進行加熱，同時控制原始光纖的移動和旋轉速度，使之扭轉形成步驟(2)中計算的具有特定設計的螺旋周期長度的螺旋光纖。