[发明专利]一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于少模光纤的高阶旋涡模式产生方法及装置。其方法为：首先将去除涂覆层的少模光纤放置于光纤夹具上并将两端拉直固定；然后采用二氧化碳激光器通过功率渐变法，先对裸光纤区域用低功率单面曝光扫描，使光栅区域残余应力部分释放，随后根据观察光纤形貌，逐渐加大激光扫描功率并进行多次重复扫描，使得光纤轴向应力完全释放，获得折射率强调制且非对称分布的长周期光纤光栅，采用此光栅实现光纤基模耦合转换至高阶角向量子数的线性偏振纤芯导模，通过应力扭转少模光纤，使得高阶模的奇偶模分量的相位形成π/2相位差，以此获得高阶旋涡模式光束输出。该方法制作流程简单、结构紧凑，重复性好，价格低廉，可获得良好的经济效益。

技术领域

本发明属于光纤通信领域，具体涉及到一种基于少模光纤的高阶旋涡模式的产生方法

背景技术

光学旋涡(OV)是具有螺旋型波前和轨道角动量的特殊光场。光学旋涡光束独特的动力学特性、轨道角动量特性和拓扑结构在光学微操纵、光学显微成像、光通信、量子信息、光学散斑以及远程传感等领域都具有重要研究价值，尤其在扩大光通信容量并提高安全性与调制能力领域。如何去高效产生OV光束并于光纤系统集成成为技术难点。目前由产生高阶OV光束可以使用空间相位片、空间光调制器等器件来实现。然而由于空间相位片和空间光调制器耦合进通信光纤系统时，是采用空间光耦合方式，其具有耦合损耗大，模式匹配失真、集成度低，结构不紧凑和成本高昂等缺点。然而长周期光纤光栅由于其具有尺寸小，结构简单，插入损耗小,且可实现基模向高阶模耦合转换等特点，因此被用来做模式转换器，并实现高阶OV光束的输出。

已有报道显示在少模光纤上，基模(LP₀₁模式)可以能够被很好的耦合到低阶角向量子数相对小的LP₁₁模式上，但是由于基模与角向量子数大的高阶线性偏振纤芯模(如LP₂₁模式)具有很大的有效折射率差，导致模场的交叠区域小，因为如何实现LP₀₁模式向LP₂₁模式甚至更高阶模式的转换成为技术难点。

当前采用长周期光纤光栅实现LP₀₁模式向LP₂₁模式的转换是采用通过级联两根长周期光纤光栅实现，首先通过一根长周期光栅将LP₀₁模式耦合转换为LP₁₁模式，然后经级联的另一光栅再将LP₁₁模式转化为LP₂₁模式，然后通过调节三个偏振控制器控制简并模式的强度比例和相位差将LP₂₁模式转化为二阶涡旋模式。此方法由于采用两根长周期光纤光栅级联实现，需要两段光栅的耦合峰值波长完全重合，其耦合效率取决于光栅波长的匹配度，因此对光栅刻制系统的刻制周期精度和稳定性具有非常苛刻的要求。总体而言，该方法重复性低、制作效率低、工艺复杂、难以规模化生产且光栅尺寸过长等缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有制作方法和技术的缺点与不足，提出采用二氧化碳激光器利用功率渐变法制作强调制深度的长周期光纤光栅，用于实现少模光纤中的LP₀₁模式向LP₂₁模式耦合转换，将基模转换为角向量子数大的高阶线性偏振纤芯导模，通过应力扭转少模光纤，使得高阶模的奇偶模分量的相位形成π/2相位差，以此获得高阶旋涡模式光束输出。

强调制深度的少模光纤光栅的特征是：其光纤的纤芯和包层几何结构改变明显，光纤折射率调制深度强，分布不对称的长周期光纤光栅，该结构可以实现少模光纤中的角向量子数的耦合转换，能够在少模光纤上将基模转换为角向量子数大的高阶线性偏振纤芯导模。通过在长周期光纤光栅上施加扭转应力，实现光纤中LP₂₁奇模和LP₂₁偶模的π/2的相位差,将光纤基模耦合转换成高阶角向量子数的线性偏振纤芯导模，以此获得高阶旋涡模式的光束输出。

本发明的目的至少通过如下技术方案实现。