[發明專利]基于螺旋拉錐光纖束的OAM光子燈籠及制作和應用

有效

• 申請號: 202110518363.4
• 申請日: 2021-05-12
• 公開（公告）號: CN113281845B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 楊志群;楊林博;張林;黃戰華;侯利潔
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02B6/293
• 分類號: G02B6/293;G02B6/255
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

本發明公開了一種基于螺旋拉錐光纖束的OAM光子燈籠，包括錐形玻璃套筒和位于該套筒大頭端一側的輸入端及小頭端一側的輸出端，套筒內包括不同直徑的N根少模光纖的光纖束環繞著一根摻氟低折射率無芯光纖；光纖束自輸入端圍繞著無芯光纖以固定螺距及旋向螺旋拉錐至輸出端，從而在套筒內形成螺旋拉錐光纖束；該輸出端包括經螺旋拉錐后的光纖束形成的環形折射率分布，輸出端熔接有與之匹配的環芯光纖。本發明提出了在拉制光子燈籠時利用少模光纖束環繞無芯光纖進行螺旋拉錐，使得光子燈籠輸出端光強的中心形成零強度分布，同時該螺旋結構在同一簡并模組不同LP模式之間產生π/2的相位差，形成OAM并進行復用，無需偏振控制器，提高了器件的集成度。

技術領域

本發明屬于光纖通信技術領域，特別涉及一種高性能OAM模式復用器件的結構及其應用。

背景技術

近年來，對攜帶自旋角動量(SAM)和軌道角動量(OAM)等光學角動量的光束的產生和操縱越來越受到人們的關注。具有OAM的光束，又稱光渦(OV)，其環狀強度分布可以用來捕獲和輸運粒子。OAM產生的力和轉矩使光渦旋能夠驅動微機械。在天文學方面，光的OAM也可以用來提高空間望遠鏡的對比度值。同時，由于OAM不同模式之間的正交性，利用OAM的不同狀態作為傳輸信號的不同信道可以大大提高傳輸系統的帶寬。由于OAM光傳輸系統帶來了新的自由度，產生OAM的方法也越來越受到關注。軌道角動量模式在提高通信容量和頻譜效率方面有著極大的潛力，而光纖構成了長距離大容量光通信的主干網。因此，對于光纖中的軌道角動量模式、軌道角動量模式傳輸光纖以及光纖產生器件等方面的研究有著強烈的推動力。

產生OAM的方法大致可以分為兩類：自由空間的器件和基于光纖的器件。對于自由空間器件，例如空間相位板、分叉衍射光柵、基于圓柱透鏡的模式轉換器等。基于光纖的器件，包括層狀螺旋波導、單環形光纖、帶有環形折射率分布的方芯光纖、螺旋光纖布拉格光柵、帶有螺旋相位盤的光纖等等。在光纖中產生的OAM可以直接通過光纖傳輸，因此基于光纖的OAM產生器可以在各種應用中帶來極大的方便、同時可以使器件更加緊湊和靈活。

選模光子燈籠可以通過增加耦合錐區的長度來提高器件的模式選擇性以更好地滿足絕熱條件，且對于不同類型的光子燈籠均適用，但是增加耦合錐區的長度極大地增加了加工難度，且體積大，無法大規模生產。

現有技術一，Z.S.Eznaveh等.Photonic lantern broadband orbital angularmomentum mode multiplexer.《optics express》.2018,第26卷(第23期)中，提出并演示了一種使用環形纖芯的模式選擇光子燈(MSPL)，選模光子燈籠輸入端為不同芯徑多個單模光纖，每個單模光纖分別級聯一個單模偏振控制器調整輸入端光場相位，使得兩個簡并的LP模之間產生固定的π/2相位差。然而，它不能同時復用同一模群內的左旋和右旋OAM模式，因為它必須使用MSPL的兩個SMF輸入端口來激勵一對簡并LP模式，這對簡并LP模式只能形成特定拓撲電荷數l的OAM模群中的一個左旋或右旋模式。

現有技術二，公開號為CN108761651A，公開日為2018年11月6日的專利文獻中，提供了一種OAM模式復用器件、制造方法及復用方法，其中，選模光子燈籠(MSPL)級聯多模偏振控制器(MPC)，能夠在單個器件上通過引入多個模式的偏振控制實現單個端口OAM模式的激發及多個OAM模式復用，但MPC的使用引入了額外的復雜度和可能帶來的損耗，而且MPC中的彎曲光纖中同時存在多個高階模式，可能會導致強烈的模間串擾，從而降低OAM模式純度。

現有技術三，公開號為CN110208907A，公開日為2019年9月6日的專利文獻中公開了一種軌道角動量光子燈籠制作方法及裝置，通過在拉錐時控制光子燈籠錐區部分的拉伸長度與比例。控制拉伸比例使拉錐后得到的少模端歸一化頻率，控制拉伸長度使LP模式的相位差保持在π/2，可以實現OAM模式的復用，但是通過預設的拉伸比例和預設的拉伸長度實現LP模式相位終止變化對拉錐的精度要求非常高，實際制造過程中難以實現。