[發(fā)明專利]一種新型光纖渦旋場生成器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111195028.1
• 申請日: 2021-10-12
• 公開（公告）號: CN113866893A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 苑立波;王東輝;王洪業(yè)
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類號: G02B6/26
• 分類號: G02B6/26;G02B6/255;G02B6/02;G02B6/028
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供的是一種新型光纖渦旋場生成器。其特征是：它由輸入單模光纖(1)、雙包層過渡光纖(2)、多孔毛細(xì)管(3)、扇入拉錐區(qū)(4)、異質(zhì)多芯光纖(5)、低折射率套管(6)、模式轉(zhuǎn)換拉錐區(qū)(7)、輸出少模光纖(8)組成，每個單模光纖輸入端口均能獨立地將光纖基模轉(zhuǎn)換為不同階渦旋光束。本發(fā)明可用于高斯光束和各階渦旋光束生成，并且輸出至后端少模光纖，可廣泛用于軌道角動量復(fù)用的光纖通信系統(tǒng)中。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種新型光纖渦旋場生成器，可用于高斯光束和各階渦旋光束生成，并輸出至后端少模光纖，屬于光纖微結(jié)構(gòu)器件技術(shù)領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)

隨著第五代移動通信技術(shù)逐漸商用化，物聯(lián)網(wǎng)智慧城市的不斷發(fā)展，基于單模光纖的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足日益增長的通信帶寬和信道容量需求。研究者逐步開發(fā)出波分復(fù)用、偏振復(fù)用和空分復(fù)用等多種通信方法來擴(kuò)展信道容量。近幾年來，科研人員又提出了一種基于渦旋光的通信系統(tǒng)，其理論上使用光的軌道角動量傳輸和承載信息能極大的提高頻譜效率，并且可以與傳統(tǒng)的復(fù)用方法疊加，從而突破帶寬限制。在此背景下，可同時生成多階軌道角動量光束的渦旋場生成器成為了市場的新需求。

光波除了攜帶動量外，還可以攜帶角動量。光子的角動量由光束通過空間傳輸后發(fā)生的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生，偏振矢量的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了自旋角動量(Spin Angular Monmentum,SAM)；光的波前旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)。光的自旋角動量對應(yīng)著光的偏振態(tài)，而光的軌道角動量則對應(yīng)著光的空間模式。軌道角動量復(fù)用并不依賴于波長或者偏振態(tài)，這說明OAM復(fù)用可以兼容于波分復(fù)用系統(tǒng)和偏振復(fù)用系統(tǒng)，具有巨大的應(yīng)用潛力。

目前對于如何產(chǎn)生載有軌道角動量的渦旋模式，各國研究者提出了多種方案，主要分為自由空間產(chǎn)生和光纖中產(chǎn)生兩類。在自由空間中，研究者通常使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如螺旋相位版、相位全息圖、超材料、柱透鏡對和q玻片等，這幾種方法通常只能將高斯光束轉(zhuǎn)換為某階渦旋光束，無法使用相同器件同時產(chǎn)生多階渦旋光束。光纖法則使用光纖光柵、螺旋光纖光柵、光纖耦合器、光纖端面微加工等方法，這些方法或使用的器件或具有一定程度的波長敏感性，或無法同時產(chǎn)生多階渦旋光束。因此，一種可同時產(chǎn)生多階渦旋光束的波長不敏感、偏振不敏感的渦旋光場生成器正成為市場的共性需求。

光子燈籠是近十幾年興起的一種波導(dǎo)器件，能實現(xiàn)單模光纖與多模光纖之間模式低損耗耦合功能，是一種理想的光纖通信模分復(fù)用器件。光子燈籠連接單個多模波導(dǎo)與多個單模波導(dǎo)，一般通過低折射率毛細(xì)套管約束多根異質(zhì)單模光纖熔融拉錐制備。光子燈籠是一種互易性器件，它既能實現(xiàn)將光纖的基模轉(zhuǎn)換至特定高階模式的模式復(fù)用器功能，也能實現(xiàn)將高階模式解調(diào)并耦合至對應(yīng)單模端口的光纖模式解復(fù)用器功能。光子燈籠的器件性能與光波長不敏感，使得其在光纖通信系統(tǒng)中有巨大的應(yīng)用前景，它代表的光纖模式復(fù)用可以與傳統(tǒng)的時分復(fù)用、波分復(fù)用、空分復(fù)用、偏振復(fù)用同時進(jìn)行，以倍數(shù)形式擴(kuò)展通信帶寬與信道數(shù)量，是5G通信技術(shù)的重要組成部分。如何將傳統(tǒng)的光子燈籠改造為軌道角動量系統(tǒng)所需要的渦旋光模式轉(zhuǎn)換器件是本發(fā)明專利的重要創(chuàng)新點。

為解決以上問題，申請?zhí)枮?01810966528.2的專利提出了一種基于光子燈籠的OAM模式復(fù)用器件、制造方法及復(fù)用方法，該方法使用傳統(tǒng)的不同單模光纖合束熔融拉錐方法將輸入單模轉(zhuǎn)換為光纖矢量模式，在將輸出少模光纖纏繞至模式偏振控制器的方法獲得渦旋光束。該發(fā)明專利需要使用模式偏振控制器進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)，穩(wěn)定性不夠高。由于多芯光纖在彎曲時不同纖芯的位置不同，纖芯受到的影響不同，該方法無法應(yīng)用于多芯空分復(fù)用的渦旋光傳輸系統(tǒng)中。

申請?zhí)枮?01910359407.6的專利提出了一種軌道角動量光子燈籠的制作方法，該方法將光纖束置于低折射率玻璃套管內(nèi)，通過控制拉錐長度來獲得OAM模式。該發(fā)明專利無法控制高階渦旋光束和±1階渦旋光束同時具有π/2相位差值，僅能獲得±1階和0階渦旋光束。由于同時插入套管中的光纖無法大量增加，該發(fā)明專利無法擴(kuò)展至多芯空分復(fù)用的渦旋光通信。