[发明专利]基于微结构光纤回音壁模式微腔的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器

说明书

基于微结构光纤回音壁模式(WGM)微腔的磁控可调谐太赫兹轨道角动量光束生成器，所述生成器通过在微结构光纤WGM微腔角向引入周期性折射率调制，实现WGM向轨道角动量(OAM)光束的耦合。所述微结构光纤利用在太赫兹波段具有低传输损耗特性的环状烯烃共聚物(TOPAS)作为基底材料，靠近光纤外表面环形区域均匀排列有周期性空气孔形成角向光栅，以激发沿光纤轴向传输的OAM光束。微结构光纤的空气孔内填充BNHR液晶材料，通过调节外加磁场的强度改变BNHR液晶分子的指向，导致WGM分布区域有效折射率的变化，实现对OAM光束的工作频率和拓扑荷数的调谐。本发明具有集成度高、易于与功能材料集成、OAM光束特性调控灵活、调谐手段可拓展性强等优点。

技术领域

本发明涉及光通信领域的太赫兹轨道角动量(OrbitalAngular Momentum:OAM)光束发射技术领域，本发明结合回音壁模式(Whispering Galley Mode:WGM)微腔的角向光栅调制原理以及BNHR液晶分子的磁场调控指向偏转特性，构成一种磁控可调谐OAM光束生成器。

背景技术

随着移动通信技术的成熟和移动通信系统的不断发展，低频段频谱资源愈加紧缺，现有的通信频段和技术逐渐难以满足日益增长的业务需求。而太赫兹(THz)频段目前仍存在大量的空闲频谱资源，同时OAM光为通信系统提供了新的信息自由度。因此THz波与OAM光的结合将极大提高通信系统的容量和频谱利用率。

迄今为止，人们设计了多种OAM光束的产生方式，如空间光调制器(SLMs)、q-板、螺旋相位板、等离子体元表面和硅集成器件等已被用于自由空间的结构光束产生。近年来该领域的典型工作包括：2018年刘厚权等人设计了一种用于产生角动量叠加态的相位板，可对光场相位进行调制，并申请了国家发明专利(一种可产生光轨道角动量叠加态的相位板，公开号：CN108254943A，公开日：2018年7月6日)；同年清华大学孙长征等人设计了一种利用硅基波导产生光子轨道角动量信号的光发射器件，该器件利用光栅提取WGM实现OAM光束的垂直出射，并申请了国家发明专利(一种产生光子轨道角动量信号的光发射器件，公开号：CN108563041A，公开日：2018年9月21日)；2019年刘厚权等人设计了一种基于超表面偏振可控的光轨道角动量叠加态产生器。该器件由柱状偶极子阵列和二氧化硅基底组成，对入射平面光进行相位调制，使其变成轨道角动量叠加态光(一种基于超表面偏振可控的光轨道角动量叠加态产生器，公开号：CN110244474A，公开日：2019年9月17日)。但是以上OAM光束产生装置制作工艺复杂、成本高、稳定性较差，且难以实现对OAM光束特性的调谐。值得注意的是由于光纤通信系统具有长距离、大容量传输的优点，基于光纤器件的OAM光束产生技术也成为这一领域的新兴热点。2019年东北大学赵勇等人提出了一种在空心环状光纤上刻写长周期光纤光栅产生OAM光束并基于光学功能材料调谐谐振波长的方案(具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用，公开号：CN107462948B，授权公开日：2019年10月25日)。但是基于此类方法设计的OAM光束生成器的工作波长位于1.3～1.8μm的近红外波段，且生成OAM光束的拓扑荷数不可改变。因此如何实现集成化、成本低、模式特性灵活可调的THz波段OAM光束的产生是目前THz科学领域研究和相关应用中亟待解决的关键问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明将基于磁控的BNHR液晶材料的特性与基于角向光栅的WGM耦合机制相结合，实现一种谐振频率与拓扑荷数均可灵活调谐的OAM光束生成器，该器件具有集成度高、光束特性易于调谐、易于与功能材料集成、调谐方式灵活多样等优点。

本发明的技术方案