高维光纤系统及其非线性研究
发布时间：2021-06-26 10:34
光纤技术自从问世以来,已经被广泛应用于通信、激光以及传感等领域。各种光学复用技术的出现,如波分复用技术、时分复用技术以及空分复用技术等,提高了光纤的信息容量,将光纤光学系统拓展至高维领域。高维光纤系统具有极大的信息容量、繁多的模式结构以及复杂的模间相互作用等特点。这些特性使得高维光纤系统成为研究与发展高速光通信技术和高功率激光技术的良好平台。时分复用与波分复用,是已经被广泛应用在传统光通信领域的复用技术。它们分别在时域与频域拓展光信号的自由度,以期望在更少的信道内获得更高的信息容量。当这些技术与新兴的量子信息技术相结合时,将诞生一种全新的高维光量子态。高维量子态在量子信息领域有着重要应用,不仅适用于复杂的高维量子计算,还可以运用到高维量子通信中,从而大幅提高量子信息容量。空分复用技术,采用空间维度复用光信号,是一种更为新型的复用技术,也是突破传统光纤通信系统瓶颈的下一代通信技术。单模光纤优良的单模性,使其一度成为光纤通信的首选介质。空分复用技术的光纤系统概念的提出,也预示着多模光纤的回归,多模光纤再次成为研究的热点。在各种类型的多模光纤中,一种可以用以稳定传输高维轨道角动量模式的光纤—...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２具有轨道角动量Ｌ以及自旋Ｓ光束：光强（黑底白色图片），相位（绿色）和自旋??（或者说是偏振态，曲线箭头表示）
?第１章绪论???Ａ?—?Ｈ?□??ｉＰｊｉ??ｎ＊？??－?ｈＡ，??１—ａ——Ｃ—□??Ｃ?Ｄ?Ｅ??ｎ？°？?ｐ＾ｉ??－Ｂ?：｜國??图１．３阶跃光纤中的模式。（ａ）标量模式（ｂ）矢量模式。中间的横线代表《＜的分类。??（ｃ－ｅ）矢量模式解，包含偏振方向及模式简并。摘自文献［２８］??图１．３?ｂ展示了矢量模式的光场￥强度分布和各个矢量模式的对应。很??显然，这些模式的强度分布与前一节中提到的自由空间中的偏振涡旋光一致。图??１．３ｃ－ｅ展示了光纤中的模式更多复杂的简并形式。对于柱对称模式，标量模式??ＬＰ＾和矢量模式ＨＥ１［ｎ中，存在两个正交偏振方向的二重简并（如图１．３ｃ所示）。??这些模式，偏振都是统一的，不存在涡旋偏振光的情况，并且这些模式也不含有??轨道角动量（ＯＡＭ）。如果从自旋角动量（ＳＡＭ）的角度出发，左旋和右旋的偏??振光中，每个光子含有±１６的ＳＡＭ但是对于高阶标量模ＬＰＵ，存在四种简并??的矢量模式——ＴＥ０１，ＨＥ＾，ＨＥ＾ｄ，ＴＭ０ｌ?（如图１．３ｂ和１．３ｄ所示）。这些模式中??ＨＥ２，的两个模式严格简并，并且与ＴＥ。，、ＴＮ／＾的两个模式的有效折射率有一??定的差值。在此以后，更高阶的模式（Ｕ＼ｍ，Ｌ＞ｌ）将包含两个分立的矢量模式??解，称为模式（如图１．３ｅ所示）。这些模式中，有效折射率??的值相近的模式在光纤中的群速度也相近，它们会组合到一起形成一个标量模式。??总的来说，标量模式ＬＰｈｎ包含四个矢量模式ＴＥ＾Ｈ＾＾ＨＥ＾ＴＭ＾，而标量??模式ＬＰＵｎ（Ｌ?＞?１）是ＨＥ和ＥＨ模式真正的叠加。??图１．３．ｄ中展不的光纤的矢量模式中，Ｔ
?第１章绪论???着光纤的微扰变化一样。很显然，这些组合模式与图１．３中的标量模式解ＬＰｎ模??式非常相似。在实验中被观测到这些模式时，它们经常被认为就是ＬＰｈ模式。但??是，需要明确的是它们并不是光纤中的本征模式。一个真正的光纤本征模式必须??是随着光纤传播其形状或大小不发生改变的状态。但是这种所谓的“ＬＰｕ”模式??在光纤中传输时会转变方向，就算是在无弯曲的直光纤中也是如此。这是因为在??矢量模式叠加过程中相长或者相消干涉（图中的“?＋?将导致ＬＰｈ模式存在??９０度的旋转。同时，这种模式还存在拍长１是光的波长，是矢量??模式间的有效折射率差值。??总的来说，光纤中本身的本征模式可以组合成特定的涡旋光束，包括偏振涡??旋光（柱矢量光束）和相位涡旋光（轨道角动量光束）。光纤中产生涡旋光有各??种各样有效的手段。但是，传统的光纤中并不能支持这些涡旋光的远距离传输。??在下一节中，我们将介绍一种可以稳定传输涡旋光的光纤的设计原理，这也是本??文的核心内容。??ｌｐ－Ｂｉ?ｑｑ?国Ｉ??图１．４?一阶高阶模组的模式表示。第一行：本征矢量模式、第二行：实验测得的不稳定模??式，由第一行的矢量模式叠加而成。摘自文献［３４］??１．３．２涡旋光纤的设计原理??根据上一节的描述，光纤中涡旋光模式的不稳定性是来自于矢量模式的近简??并态。传输模式间的耦合会随着模式间有效折射率差值的增大而减少［７＼??这一节中，我们主要聚焦于以＾模组的光纤设计，上节提到的这个模组包含四个??矢量模式，分别是ＴＥｙ?（角向柱矢量偏振光）、ＴＭｏ，（径向柱矢量偏振光）和??ＨＥ２，（轨道角动量模式）。这些设计准则也可以推广到更高阶Ｌ＞１的Ｏ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Intermodal group-velocity engineering for broadband nonlinear optics[J]. JEFF DEMAS,LARS RISH?J,XIAO LIU,GAUTAM PRABHAKAR,SIDDHARTH RAMACHANDRAN. Photonics Research. 2019(01)
本文编号：3251181
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２具有轨道角动量Ｌ以及自旋Ｓ光束：光强（黑底白色图片），相位（绿色）和自旋??（或者说是偏振态，曲线箭头表示）
?第１章绪论???Ａ?—?Ｈ?□??ｉＰｊｉ??ｎ＊？??－?ｈＡ，??１—ａ——Ｃ—□??Ｃ?Ｄ?Ｅ??ｎ？°？?ｐ＾ｉ??－Ｂ?：｜國??图１．３阶跃光纤中的模式。（ａ）标量模式（ｂ）矢量模式。中间的横线代表《＜的分类。??（ｃ－ｅ）矢量模式解，包含偏振方向及模式简并。摘自文献［２８］??图１．３?ｂ展示了矢量模式的光场￥强度分布和各个矢量模式的对应。很??显然，这些模式的强度分布与前一节中提到的自由空间中的偏振涡旋光一致。图??１．３ｃ－ｅ展示了光纤中的模式更多复杂的简并形式。对于柱对称模式，标量模式??ＬＰ＾和矢量模式ＨＥ１［ｎ中，存在两个正交偏振方向的二重简并（如图１．３ｃ所示）。??这些模式，偏振都是统一的，不存在涡旋偏振光的情况，并且这些模式也不含有??轨道角动量（ＯＡＭ）。如果从自旋角动量（ＳＡＭ）的角度出发，左旋和右旋的偏??振光中，每个光子含有±１６的ＳＡＭ但是对于高阶标量模ＬＰＵ，存在四种简并??的矢量模式——ＴＥ０１，ＨＥ＾，ＨＥ＾ｄ，ＴＭ０ｌ?（如图１．３ｂ和１．３ｄ所示）。这些模式中??ＨＥ２，的两个模式严格简并，并且与ＴＥ。，、ＴＮ／＾的两个模式的有效折射率有一??定的差值。在此以后，更高阶的模式（Ｕ＼ｍ，Ｌ＞ｌ）将包含两个分立的矢量模式??解，称为模式（如图１．３ｅ所示）。这些模式中，有效折射率??的值相近的模式在光纤中的群速度也相近，它们会组合到一起形成一个标量模式。??总的来说，标量模式ＬＰｈｎ包含四个矢量模式ＴＥ＾Ｈ＾＾ＨＥ＾ＴＭ＾，而标量??模式ＬＰＵｎ（Ｌ?＞?１）是ＨＥ和ＥＨ模式真正的叠加。??图１．３．ｄ中展不的光纤的矢量模式中，Ｔ
?第１章绪论???着光纤的微扰变化一样。很显然，这些组合模式与图１．３中的标量模式解ＬＰｎ模??式非常相似。在实验中被观测到这些模式时，它们经常被认为就是ＬＰｈ模式。但??是，需要明确的是它们并不是光纤中的本征模式。一个真正的光纤本征模式必须??是随着光纤传播其形状或大小不发生改变的状态。但是这种所谓的“ＬＰｕ”模式??在光纤中传输时会转变方向，就算是在无弯曲的直光纤中也是如此。这是因为在??矢量模式叠加过程中相长或者相消干涉（图中的“?＋?将导致ＬＰｈ模式存在??９０度的旋转。同时，这种模式还存在拍长１是光的波长，是矢量??模式间的有效折射率差值。??总的来说，光纤中本身的本征模式可以组合成特定的涡旋光束，包括偏振涡??旋光（柱矢量光束）和相位涡旋光（轨道角动量光束）。光纤中产生涡旋光有各??种各样有效的手段。但是，传统的光纤中并不能支持这些涡旋光的远距离传输。??在下一节中，我们将介绍一种可以稳定传输涡旋光的光纤的设计原理，这也是本??文的核心内容。??ｌｐ－Ｂｉ?ｑｑ?国Ｉ??图１．４?一阶高阶模组的模式表示。第一行：本征矢量模式、第二行：实验测得的不稳定模??式，由第一行的矢量模式叠加而成。摘自文献［３４］??１．３．２涡旋光纤的设计原理??根据上一节的描述，光纤中涡旋光模式的不稳定性是来自于矢量模式的近简??并态。传输模式间的耦合会随着模式间有效折射率差值的增大而减少［７＼??这一节中，我们主要聚焦于以＾模组的光纤设计，上节提到的这个模组包含四个??矢量模式，分别是ＴＥｙ?（角向柱矢量偏振光）、ＴＭｏ，（径向柱矢量偏振光）和??ＨＥ２，（轨道角动量模式）。这些设计准则也可以推广到更高阶Ｌ＞１的Ｏ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Intermodal group-velocity engineering for broadband nonlinear optics[J]. JEFF DEMAS,LARS RISH?J,XIAO LIU,GAUTAM PRABHAKAR,SIDDHARTH RAMACHANDRAN. Photonics Research. 2019(01)
本文编号：3251181
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