[发明专利]一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法

说明书

本发明公开了一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法，包括如下步骤：根据轨道角动量模式有效分离需要的模式之间的总有效折射率差值的要求，和轨道角动量模式在原始光纤中的纵向有效折射率取值，计算满足轨道角动量模式有效分离需要的在螺旋光纤中新形成的模式之间的角向有效折射率差值；利用在螺旋光纤中新形成的角向有效折射率与螺旋周期长度有关的特性，计算满足上一步骤中计算的角向有效折射率差值需要的特定设计的螺旋周期长度；对原始光纤进行加热，同时控制原始光纤的移动和旋转速度，使之扭转形成螺旋光纤。本发明保证轨道角动量模式在设计的螺旋光纤中的可靠、稳定和复用长距离传输，实现圆偏振方向和轨道角动量阶数的共同复用。

技术领域

本发明涉及光通信和光传感技术领域，尤其是一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法。

背景技术

光学轨道角动量在光通信、光传感和粒子操控等领域应用广泛，支持多种轨道角动量模式稳定复用传输的光纤是实现光学轨道角动量应用的重要光学器件。传统的光纤是通过增大纤芯和包层的折射率差，或者设计特殊结构的光纤的办法来增大属于同一简并模式的HE模式和EH模式(或TE/TM模式)的折射率差，使其实现自旋和轨道角动量同向的轨道角动量模式(基于HE模式构成的轨道角动量)与自旋和轨道角动量同向的轨道角动量模式(基于EH或TE/TM模式构成的轨道角动量)的模式分离。常见的方法有少模、多模、空芯、环芯、多芯和光子晶体光纤等方案。但是以上方法并不能分离具有相同轨道角动量阶数，但自旋方向不同的轨道角动量模式，且需要复杂的光纤设计技术和加工工艺。同时，这类特殊设计的光纤很难与光纤通信和传感系统中的传统光纤实现低损耗的连接。

国内外的大量的专利和论文讨论了如何设计能稳定传输多种轨道角动量模式的光纤，但都是从增加光传播方向(纵向)的有效折射率的角度来设计的，没有采用螺旋结构的光纤来增大角向有效折射率以实现不同轨道角动量模式在光纤中的可靠、稳定和复用长距离传输的方法。另外，增大传播方向折射率的方法仅能增加具有自旋和轨道角动量方向同向(HE模式角动量)和反向(EH模式角动量)的折射率差，并不能增大具有相同轨道角动量阶数，但不同自旋方向的轨道角动量模式之间的折射率差，实现这类模式的有效分离和复用传输。

国内外也有大量的论文讨论了制作螺旋长周期光纤光栅，用于各种轨道角动量产生器，或者圆偏振转换器，及扭转等传感器等应用。但这类轨道角动量产生器大多是通过模式耦合产生高阶模式，然后使属于同一矢量模式HE模式(EH模式或TE/TM模式)的奇模和偶模之间产生π/2的相差以形成轨道角动量模式，没有通过光纤中的螺旋结构增大角向有效折射率以实现不同轨道角动量的模式分离的方法提出。另外螺旋光纤光栅具有在耦合波长附近的模式转换特性，导致参与耦合的模式无法稳定、可靠的传输。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法，能够保证其在设计的螺旋光纤中的可靠、稳定和复用长距离传输，并实现圆偏振方向和轨道角动量阶数的共同复用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于螺旋结构的光纤轨道角动量模式分离方法，包括如下步骤：

(1)根据轨道角动量模式有效分离需要的模式之间的总有效折射率差值的要求，和轨道角动量模式在原始光纤中的纵向有效折射率取值，计算满足轨道角动量模式有效分离需要的在螺旋光纤中新形成的模式之间的角向有效折射率差值，轨道角动量模式在螺旋光纤中的总有效折射率由在原始光纤中的纵向有效折射率和螺旋光纤中新形成的角向有效折射率组成；

(2)利用在螺旋光纤中新形成的角向有效折射率与螺旋光纤中的轨道角动量模式的圆偏振状态、轨道角动量阶数、工作波长和螺旋光纤具有的螺旋周期长度有关的特性，计算满足步骤(1)中计算的角向有效折射率差值需要的特定设计的螺旋周期长度；

(3)对原始光纤进行加热，同时控制原始光纤的移动和旋转速度，使之扭转形成步骤(2)中计算的具有特定设计的螺旋周期长度的螺旋光纤。