[发明专利]一种新型涡旋光场探测装置

说明书

本发明提供的是一种新型涡旋光场探测装置。其特征是：它由输入涡旋光纤1、模式转换拉锥区2、低折射率套管3、异质多芯光纤4、扇入扇出过渡区5、多孔毛细管6、双包层过渡光纤7、单模光纤8、相位调制器9、光纤耦合器10和单模输出端口11组成。本发明可用于光纤中涡旋光的探测、分类和解复用，可广泛用于大容量光纤轨道角动量通信系统中。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种新型涡旋光场探测装置，可用于基于轨道角动量复用的光纤通信系统中，属于光纤通信技术领域。

(二)背景技术

随着5G通信时代的来临，基于单模光纤的传统通信系统已经无法满足日益增长的通信带宽和信道容量需求。研究者逐步开发出波分复用、偏振复用和空分复用等多种通信方法来扩展信道容量。近几年来，科研人员又提出了一种基于涡旋光的通信系统，其理论上使用光的轨道角动量传输和承载信息能极大的提高频谱效率，并且可以与传统的复用方法叠加，从而突破带宽限制。在此背景下，载有多阶轨道角动量的涡旋信号解调成为了亟待解决重要问题。

光波除了携带动量外，还可以携带角动量。光子的角动量由光束通过空间传输后发生的旋转所产生，偏振矢量的旋转产生了自旋角动量(Spin Angular Monmentum,SAM)；光的波前旋转产生了轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)。光的自旋角动量对应着光的偏振态，而光的轨道角动量则对应着光的空间模式。轨道角动量复用并不依赖于波长或者偏振态，这说明OAM 复用可以兼容于波分复用系统和偏振复用系统，于此同时，对于带有OAM的涡旋光束的信号也需要一种与波长和偏振无关的解调方法。

传统涡旋光的探测与解调方法主要依赖于空间光学器件，主要的方法有衍射法、干涉法和模式转换法等。衍射法的主要原理是将空间涡旋光束输入矩形方孔或衍射光栅上，涡旋光束经过矩形方孔的远场衍射图案可用来判别OAM的状态，衍射光栅法则将涡旋光束转换为高斯光束来探测指定阶数的涡旋光；干涉法则需要将涡旋光束与相干的平面光束合束，产生具有螺旋形式的条纹，通过干涉图样信息判别轨道角动量的阶数；模式转换法则利用空间光调制器等将涡旋光束转化为拉盖尔高斯光束或厄米高斯光束；另外，利用螺旋光纤光栅也可以将光纤中的涡旋光束转换为高斯光束，但其具有波长敏感性，只有特定波长的光束可实现转换。以上几种涡旋光束的检测方法或需要大量空间学的器件，或具有波长或偏振限制无法兼容于现有的光纤通信系统。

光子灯笼是近十几年兴起的一种波导器件，能实现单模光纤与多模光纤之间模式低损耗耦合功能，是一种理想的光纤通信模分复用器件。光子灯笼连接单个多模波导与多个单模波导，一般通过低折射率毛细套管约束多根异质单模光纤熔融拉锥制备。光子灯笼是一种互易性器件，它既能实现将光纤的基模转换至特定高阶模式的模式复用器功能，也能实现将高阶模式解调并耦合至对应单模端口的光纤模式解复用器功能。如何将传统的光子灯笼改造为轨道角动量系统所需要的涡旋光模式转换器件是本发明专利的重要创新点。

申请号为201810966528.2的专利提出了一种基于光子灯笼的OAM模式复用器件、制造方法及复用方法，该方法使用传统的不同单模光纤合束熔融拉锥方法将输入单模转换为光纤矢量模式，在将输出少模光纤缠绕至模式偏振控制器的方法获得涡旋光束。通过该器件可实现高斯光束与涡旋光束的转换，但是该发明专利需要使用模式偏振控制器进行机械调节，稳定性不够高。由于多芯光纤在弯曲时不同纤芯的位置不同，纤芯受到的影响不同，该方法无法应用于多芯空分复用的涡旋光解调系统中。

申请号为201910359407.6的专利提出了一种轨道角动量光子灯笼的制作方法，该方法将光纤束置于低折射率玻璃套管内，通过控制拉锥长度来获得 OAM模式。通过该器件可实现高斯光束与涡旋光束的转换，可实现±1阶和0阶涡旋光束的探测，但无法探测更高阶数的涡旋光。由于同时插入套管中的光纤无法大量增加，该发明专利无法扩展至多芯空分复用的涡旋光探测解调系统中。

申请号为202010207437.8的专利提出了一种光子灯笼型简并模组复用解复用器及传输方法，该发明专利设计的光子灯笼仅能产生光纤矢量光束，无法直接用于涡旋光束的探测和解复用。