基于光纤模式干涉的轨道角动量产生机理及实验研究

摘要

随着万物互联、大数据、云计算、虚拟现实等宽带消耗型业务呈现井喷式发展，现有光纤通信系统在传输容量方面面临巨大压力和挑战。目前通信系统几乎将幅度、频率/波长、相位、偏振态、时间等光波维度资源开发殆尽，其传输容量已逐渐逼近非线性香农极限，迫切需要寻找提高通信容量的新型复用方式。轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）模式由于能在空间维度进行光通信传输容量扩容，因此得到人们的广泛关注，其中产生稳定的OAM模式是一大研究热点。与在自由空间中产生OAM模式相比，直接在光纤中产生OAM模式具有插入损耗低、系统集成度高、稳定性好等优点。基于此，本文提出一种基于少模光纤模式干涉产生OAM模式的方法，主要研究内容如下：　　① 提出了一种基于少模光纤模式干涉产生轨道角动量的方法，分析了光纤内产生OAM模式的机理，详细阐述了少模光纤引入微扰波导产生模式干涉的原理，并通过有限元法、光束传输法等方式研究了微扰波导长度、波导间距、偏芯距离等参数对干涉光谱对比度、自由光谱范围、模式转换效率的影响，为后续的微扰波导刻写以及器件的光谱特性分析提供了理论指导。　　② 利用飞秒激光在两模光纤中引入微扰波导制备了模式干涉器件。实验中，首先从光纤夹持、透镜聚焦、光纤校直、成像系统和功率校正等方面对飞秒激光微加工系统进行设计、改装和优化；然后在单模光纤中研究了加工能量、波导长度、刻写速度以及偏芯距离等参数对波导传输损耗的影响，形成了较为完善的波导刻写工艺；最后通过在两模光纤中间隔一定距离写制两个微扰波导制备了全光纤模式干涉仪，其波导长度为450μm，偏芯距离为3.8μm，插入损耗为1.3dB，干涉光谱谐振峰深度达到22dB。此外，通过制备不同波导间距的模式干涉器件，研究了波导间距与自由光谱范围的关系。　　③ 利用上述模式干涉器件实现了 OAM 模式的产生，并采用空间干涉法对OAM模式的光强分布、螺旋相位进行了检测。中空的能量分布场以及与平面高斯光束或球面高斯光束干涉形成的“叉形”或螺旋图案均表明利用光纤模式干涉能够在谐振波长处成功地将左旋或右旋圆偏振的HE11模式转变成拓扑荷数为±1的轨道角动量模式。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 轨道角动量光束概述

1.3 轨道角动量的产生方式

1.3.1 在自由空间中产生轨道角动量光束

1.3.2 在光纤中产生轨道角动量模式

1.4 本文的研究意义及主要内容

2 光纤模式干涉产生OAM的理论分析

2.1 光纤结构及模式基础

2.1.1 光纤结构简介

2.1.2 光纤模式理论

2.2 光纤中产生OAM模式的原理分析

2.3 模式干涉产生OAM的理论分析

2.4 模式干涉的数值仿真分析

2.4.1 两模光纤的矢量模式

2.4.2 波导长度与偏芯距离的优化

2.4.3 两模光纤模式干涉的仿真

2.5 本章小结

3 飞秒激光微加工光纤模式干涉器件

3.1 飞秒激光微加工原理及特点

3.1.1 飞秒激光与透明介质材料的加工机理

3.1.2 飞秒激光诱导材料折射率变化的机理

3.1.3 飞秒激光微加工的特点

3.2 飞秒激光微加工系统简介及优化

3.2.1 飞秒激光微加工系统

3.2.2 飞秒激光微加工系统的优化

3.3 波导工艺研究

3.3.1 加工能量和波导长度对传输损耗的影响

3.3.2 加工速度和波导偏芯距离对传输损耗影响

3.4 飞秒激光微加工光纤模式干涉器件

3.4.1 光纤模式干涉器件的制作

3.4.2模式干涉器件的光谱特性分析

3.5 本章小结

4 光纤模式干涉产生OAM的实验测试

4.1 OAM模式的检测方法-干涉法

4.2 OAM模式的产生与测试系统搭建

4.3 模式干涉器件的测试结果与分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢