一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统

本发明涉及轨道角动量模式转换器领域，具体涉及一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统。

背景技术：

1、随着通信数据量的增长，单模光纤的通信信道容量即将达到极限，轨道角动量模式是一种具有螺旋相位的涡旋光场，携带不同拓扑电荷的多个轨道角动量模式相互正交可实现复用通信，利用携带轨道角动量的涡旋光模式进行复用通信能够增加信道容量和频谱利用效率，是解决通信容量瓶颈的有效方法之一。目前，轨道角动量模式转换器作为复用通信系统的核心器件之一，现阶段仍以体光学元件为主，但体光学元件的主要问题在于易受到外部环境的影响且难以与全光纤系统耦合，这严重影响了全光纤系统的紧凑性和稳定性，并且还带来额外成本。与体光学元件相比，全光纤轨道角动量模式产生器结构紧凑、插入损耗小、抗干扰、兼容性高，其是复用通信实施的关键，展现出巨大的应用前景。

2、尽管多种全光纤轨道角动量模式产生器相继被提出，例如少模光纤长周期光栅、模式选择耦合器、光子灯笼等。但是目前大多数单一器件只能实现特定拓扑荷数轨道角动量模式输出，且轨道角动量模式旋转方向无法连续切换。这极大的限制了轨道角动量模式产生器的应用。本发明拟解决现有全光纤器件无法实现轨道角动量模式连续可切换的问题，采用全保偏光纤系统实现宽带波长范围内线性偏振轨道角动量模式稳定产生与连续切换。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提供一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统。基于少模保偏光纤双折射效应和长周期光栅模式耦合理论，可在少模保偏光纤中产生稳定线性偏振模式。由于施加在少模保偏光纤上的轴向应变连续变化，可定量调控高阶奇偶模式间的相位差，实现线性偏振轨道角动量模式连续可切换。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，包括少模保偏光纤、螺旋长周期光纤光栅、双螺旋结构；所述螺旋长周期光纤光栅刻写在少模保偏光纤纤芯上，能实现纤芯基模到高阶线性偏振模式转换；双螺旋结构设置于所述螺旋长周期光纤光栅输出端后，所述双螺旋结构为少模保偏光纤熔融扭转形成，双螺旋结构可将光栅转换后的单一偏振高阶模式转换为线性偏振奇偶模式的混合模式；通过调控少模保偏光纤中线性偏振奇偶模式间的相位差，产生不同旋转方向线性偏振轨道角动量模式，且不同旋转方向线性偏振轨道角动量模式可连续切换。

4、进一步的，所述的少模保偏光纤为两模光纤、四模光纤、六模光纤中的一种。

5、进一步的，所述的少模保偏光纤结构为熊猫型、领结型、椭圆型、光子带隙型中的一种。

6、进一步的，所述少模保偏光纤的工作波长范围为400-2400纳米。

7、进一步的，所述螺旋长周期光纤光栅周期范围为100-2000微米，工作波长范围为400-2400纳米。

8、进一步的，所述螺旋长周期光纤光栅为具有螺旋折射率调制的长周期光栅。

9、进一步的，所述的双螺旋结构为加热熔融状态下反向扭转少模保偏光纤形成。

10、进一步的，所述的双螺旋结构扭转角度范围为大于0度，360度以内。

11、进一步的，所述的双螺旋结构长范围为30-5000微米。

12、进一步的，所述相位差调控方法为对出射少模保偏光纤施加轴向应变。

13、有益效果：

14、1.本发明将螺旋长周期光纤光栅刻写在少模保偏光纤，实现稳定线性偏振高阶模式转换。通过控制控制光栅长度和折射率调制深度，可使得光栅的模式耦合效率达到最高。同时，通过控制光栅螺距，可使得光栅工作在色散转折点处，实现宽带模式转换。由此可见本发明中基于少模保偏光纤螺旋长周期光栅的模式转换器制备简单灵活、结构紧凑、模式转换效率高、转换带宽大。

15、2.本发明通过少模保偏光纤双螺旋结构将单一高阶线性偏振模式转换为奇偶高阶线性偏振模式，不仅模式耦合效率高、器件插入损耗小，而且结构稳定。此外，在少模保偏光纤长度固定的条件下，针对奇偶高阶模式间相位差如何精确调控的问题，本发明通过一对一维位移调整架对射少模保偏光纤施加轴向应变控制光纤长度，可实现模式间相位差精确调控，在不同工作波长均可实现稳定可控的轨道角动量模式产生及连续切换。

16、3.本发明采用全保偏光纤系统，系统具有较高的抗干扰能力，使得模式转换系统稳定工作。

技术特征：

1.一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于，包括少模保偏光纤、螺旋长周期光纤光栅、双螺旋结构；所述螺旋长周期光纤光栅刻写在少模保偏光纤纤芯上，能实现纤芯基模到高阶线性偏振模式转换；双螺旋结构设置于所述螺旋长周期光纤光栅输出端后，所述双螺旋结构为少模保偏光纤熔融扭转形成，双螺旋结构可将光栅转换后的单一偏振高阶模式转换为线性偏振奇偶模式的混合模式；通过调控少模保偏光纤中线性偏振奇偶模式间的相位差，产生不同旋转方向线性偏振轨道角动量模式，且不同旋转方向线性偏振轨道角动量模式可连续切换。

2.根据权利要求1所述的一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于所述的少模保偏光纤为两模光纤、四模光纤、六模光纤中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于所述的少模保偏光纤结构为熊猫型、领结型、椭圆型、光子带隙型中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于所述少模保偏光纤的工作波长范围为400-2400纳米。

5.根据权利要求1所述的一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于所述螺旋长周期光纤光栅周期范围为100-2000微米，工作波长范围为400-2400纳米。

6.根据权利要求1所述的一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于所述螺旋长周期光纤光栅为具有螺旋折射率调制的长周期光栅。

7.根据权利要求1所述的一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于所述的双螺旋结构为加热熔融状态下反向扭转少模保偏光纤形成。

8.根据权利要求1所述的一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于所述的双螺旋结构扭转角度范围为大于0度，360度以内。

9.根据权利要求1所述的一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于所述的双螺旋结构长范围为30-5000微米。

10.根据权利要求1所述的一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其特征在于所述相位差调控方法为对出射少模保偏光纤施加轴向应变。

技术总结
本发明提供一种宽带可切换线性偏振轨道角动量模式产生系统，其包括少模保偏光纤、螺旋长周期光纤光栅、双螺旋结构。螺旋长周期光纤光栅刻写在少模保偏光纤纤芯上实现纤芯基模到高阶线性偏振模式转换。将螺旋长周期光纤光栅输出端的一段少模保偏光纤熔融扭转形成双螺旋结构，可将光栅转换后的单一偏振高阶模式转换为线性偏振奇偶模式的混合模式。通过拉力调控少模保偏光纤中线性偏振奇偶模式间相位差，可产生不同旋转方向的线性偏振轨道角动量模式，并通过控制轴向应变实现不同旋转方向轨道角动量模式切换。本发明的模式转换器可在宽带波长范围内实现线性偏振轨道角动量模式产生和切换，在空分复用通信、少模光纤激光器等领域具有广泛的应用前景。

技术研发人员：万英,毛雅亚,任建新,吴翔宇,王俊锋
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16