基于光纤模式干涉的轨道角动量产生机理及实验研究.pdf

中文摘要 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。 关键词：轨道角动量；模式干涉；飞秒激光；两模光纤 I 英文摘要 Abstract With the explosive development of broadband consumptive services such as Internet of everything, big data, cloud computing and virtual reality, the existing optical fiber communication system is facing great pressure and challenges in terms of transmission capacity. At present, the communication system has almost developed the optical wave dimensions such as amplitude, frequency/wavelength, phase, polarization state and time, and its transmission capacity has gradually approached the limit of non-linear Shannon. Therefore, it is urgent to find a new multiplexing method to improve communication capacity. Orb