[发明专利]一种新型光纤涡旋场生成器

说明书

本发明提供的是一种新型光纤涡旋场生成器。其特征是：它由输入单模光纤(1)、双包层过渡光纤(2)、多孔毛细管(3)、扇入拉锥区(4)、异质多芯光纤(5)、低折射率套管(6)、模式转换拉锥区(7)、输出少模光纤(8)组成，每个单模光纤输入端口均能独立地将光纤基模转换为不同阶涡旋光束。本发明可用于高斯光束和各阶涡旋光束生成，并且输出至后端少模光纤，可广泛用于轨道角动量复用的光纤通信系统中。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种新型光纤涡旋场生成器，可用于高斯光束和各阶涡旋光束生成，并输出至后端少模光纤，属于光纤微结构器件技术领域。

(二)背景技术

随着第五代移动通信技术逐渐商用化，物联网智慧城市的不断发展，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，可同时生成多阶轨道角动量光束的涡旋场生成器成为了市场的新需求。

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，具有巨大的应用潜力。

目前对于如何产生载有轨道角动量的涡旋模式，各国研究者提出了多种方案，主要分为自由空间产生和光纤中产生两类。在自由空间中，研究者通常使用模数转换器，如螺旋相位版、相位全息图、超材料、柱透镜对和q玻片等，这几种方法通常只能将高斯光束转换为某阶涡旋光束，无法使用相同器件同时产生多阶涡旋光束。光纤法则使用光纤光栅、螺旋光纤光栅、光纤耦合器、光纤端面微加工等方法，这些方法或使用的器件或具有一定程度的波长敏感性，或无法同时产生多阶涡旋光束。因此，一种可同时产生多阶涡旋光束的波长不敏感、偏振不敏感的涡旋光场生成器正成为市场的共性需求。

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。光子灯笼的器件性能与光波长不敏感，使得其在光纤通信系统中有巨大的应用前景，它代表的光纤模式复用可以与传统的时分复用、波分复用、空分复用、偏振复用同时进行，以倍数形式扩展通信带宽与信道数量，是5G通信技术的重要组成部分。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。

为解决以上问题，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。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传输系统中。

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。该发明专利无法控制高阶涡旋光束和±1阶涡旋光束同时具有π/2相位差值，仅能获得±1阶和0阶涡旋光束。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通信。