高阶轨道角动量模场传输光纤的设计研究

发布时间：2020-07-25 08:36

【摘要】：随着涡旋光束在光通信系统中的应用,产生具有高质量的涡旋光束已成为重中之重。我们知道可以在自由空间中或光纤中产生涡旋光束,其中在光纤中的产生方法不仅简化光学结构,而且相位纯度更高。本文针对几种能够传输涡旋模式的光纤结构进行研究,选择纤芯折射率为倒抛物线型的光纤,通过在纤芯与包层中间添加一层低折射率层设计成一种新型结构的光纤。具体工作如下:1、光纤中产生涡旋光束的基本理论公式推导,根据光纤模式耦合理论,采用同阶矢量模式的奇模与偶模叠加得到光纤中的轨道角动量模式,为涡旋光束的激发提供理论依据。2、对倒抛物线型的光纤结构进行重新设计,在其纤芯与包层之间添加一层低折射率层构成了新型结构。在归一化工作频率的计算下得到可容纳的矢量模式数目,通过数值计算了新型光纤中各个矢量模式的有效折射率、有效折射率差。仿真可容纳涡旋光束的光强、相位以及线偏模LP的模场分布。证明了该光纤可容纳高阶轨道角动量模场,得到该光纤可支持9种矢量模式,可容纳拓扑荷数为3的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)模式。3、分析了设计的新型光纤产生涡旋光束的影响因素。设计该光纤结构在能够有效地使矢量模式进行分离,并发现对越高阶的矢量模式其分离效果越好。之后并分析了倒抛物线型光纤的半径及折射率差的变化对光纤可容纳OAM模式阶数的影响。研究结果表明:设计的新型光纤结构,在倒抛物线分布型光纤的纤芯与包层中间添加一层低折射率层,增大了纤芯的内外折射率差,使容纳OAM模式数目增多,并仿真验证光纤可容纳的矢量模式、OAM模式;计算有效折射率差可知光纤对越高阶的矢量模式其分离效果越好;分析了设计的新型光纤产生涡旋光束的影响因素,为改变光纤参数对以后研究光纤中高阶涡旋光束的传输与生成打下基础。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253
【图文】：

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西安理工大学工程硕士学位论文高阶轨道角动量模场传输光纤的设计研究，利用纤芯为倒抛物与包层之间增加低折射率层构成了新型结构的光纤。通过归一可支持的模式数目，分析其矢量模式间分离的效果，最后讨论分布对于光纤可容纳涡旋光束模式数目的影响。总结与展望，总结全文工作，接着对利用光纤产生涡旋光束的提出了亟待解决的问题。研究内容及架构如图 1-1 所示：

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其光波携带定量的 OAM，根据光矢量的旋转方向人们将涡旋光束分为左旋涡旋光束与右旋涡旋光束图2-1[61,67]。(a) l= +1 (b) l= -1(a) l= +1 (b) l= -1图 2-1 涡旋光束的螺旋相位示意图Fig. 2-1The spiral phase diagram of vortex beams我们可利用涡旋光束的正交性作为一种新的复用机制，因为其在理论上存在无限多组的正交基，可丰富光通信的复用技术[67]。涡旋光束携带的 OAM 具有径向与角向，利用角向的不确定性为信息传输方面带来了保密性与更高的安全性。涡旋光束根据偏振与相位特性可分为偏振涡旋与相位涡旋即OAM光束，其中偏振涡旋与SAM有关，相位涡旋与OAM有关[61]。接下来从偏振与相位这两个特性进行阐述。A. 涡旋光束的偏振特性偏振涡旋也称为矢量光束，根据其偏振形态的空间分布，将其分为均匀偏振光与非均匀偏振光束。我们知道均匀偏振光有：线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光与部分偏振光等,而在非均匀偏振光中圆柱形矢量光束比较特殊，其偏振态呈轴对称分布。以下图 2-2 为这种圆柱形矢量光束，可将其称为偏振涡旋光束。

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(a) 径向偏振光 (b) 角向偏振光(a) Radially polarized light (b)Angularly polarized lig图 2-2 矢量涡旋光束的强度分布与偏振特性[61]Fig. 2-2 Intensity Distribution and Polarization Characteristicsof Vector Vortex Beams[61]振的高斯光束与矢量涡旋光束通过高数值的孔径透镜(Numerical A理角度可直观的观察到两束光束复杂的偏振[67]。图 2-3 表示了经过与径向偏振光束的聚焦特性。(a) 高斯光束导致复杂的偏振(a) Gaussian beam causes complex polarization

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