CN114690318B - 一种基于少模光纤的模式波片及模式转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于少模光纤的模式波片及模式转换方法，属于光通信和光场调控领域，主要利用少模光纤中TE₀₁和TM₀₁模式非简并特性带来的模式走离现象。TE₀₁和TM₀₁模式在一段光纤中传播带来特定相位差累积，该相位差正比于光纤长度，可实现模式的旋转等操作，类比传统偏振光学中的半波片和四分之一波片对光束偏振的调控，将此基于少模光纤的模式调控命名为模式波片。相比于传统的波片只能改变光场的偏振态，所述模式波片能作用于空间模式，能同时改变偏振和相位的空间分布，是一种高阶的模式波片，有望应用在传感、测量、光镊和光通信等领域，填补相关技术的空白。

Description

一种基于少模光纤的模式波片及模式转换方法

技术领域

本发明属于光通信和光场调控领域，涉及一种基于少模光纤的模式波片及模式转换方法。

背景技术

1941年，琼斯引入一种两列元素列详细描述偏振光，称为琼斯矩阵，琼斯矩阵也成为研究偏振光学和分析偏振器件一种便捷的手段。偏振器件种类多样，常见的有波片或相位延迟器。偏振波片利用的是某些特殊材料的各向异性。由偏振光学可知，两个正交偏振光的振幅比和相位差可决定合成光波的偏振态。各向异性晶体材料构成的平行平板，能控制两个正交偏振光的振幅比和相位差，从而达到改变入射光偏振态的目的，称为波片或相位延迟器。典型的波片有半波片和四分之一波片。如果波片作用于入射光场的o光和e光的光程差为λ/2时，称该波片为半波片。圆偏光通过半波片之后仍为圆偏光，但旋向改变。线偏光通过半波片之后仍为线偏光，但光矢量方向发生旋转，旋转角度为入射线偏光与波片快(慢)轴夹角的两倍。如果波片作用于入射光场的o光和e光的光程差为λ/4时，称该波片为四分之一波片。当入射线偏光的光矢量与波片的快(慢)轴夹角为±45°时，出射光为圆偏光；反之，圆偏光入射时，从四分之一波片出射的是线偏光。四分之一波片还可将线偏振入射光转变为椭圆偏振光。

上述的波片仅作用于光场的偏振态，不涉及到光场空间相位的改变，也即除偏振外，无法把高阶模式进行任意的转变。但目前模式调控在光镊、模分复用光通信、传感和成像等领域广泛应用。鉴于此，设计出一种基于少模光纤的模式波片来作为现有波片的补充与拓展是极其有必要的，便于对模式进行便捷的调控改变，具有广泛应用前景。

发明内容

针对现有波片对光场调控的不足，本发明提供了一种基于少模光纤的模式波片及模式转换方法，目的在于提供一种新的模式调控手段，实现对模式偏振与相位分布的同时调控，有望应用在传感、测量、光镊和光通信等领域，填补相关技术的空白。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于少模光纤的模式波片，包括依次连接的模式激发模块、少模光纤和模式输出模块；所述模式激发模块用于对少模光纤输入含有TM₀₁和TE₀₁分量的一阶模群模式，经过预设长度的少模光纤后在模式输出模块积累一定的相位差，该相位差引起合成模式的变化从而实现模式的改变。

所述一阶模群模式包括微弱退简并的TM₀₁和TE₀₁以及简并模式

和/>

主要依赖于支持TM₀₁和TE₀₁模式的少模光纤。首先依据光纤结构参数计算或测量出的TM₀₁和TE₀₁有效折射率，计算出两个模式累积的相位差/>

其中/>

和/>

分别为TM₀₁和TE₀₁的传播常数，L为光纤长度。入射光场为含有或只含有TM₀₁和TE₀₁的叠加光场，叠加光场的TM₀₁和TE₀₁分量具有微弱的传播常数差，在少模光纤传输中会累积相位差，累积的相位差会造成输出叠加光场的改变，达到对模式偏振和空间相位的调控，发挥类似于波片的模式波片作用。

若构造的模式波片类似于半波片时，相位差满足δ＝(2n+1)π，n为整数，依据此式计算出对应的少模光纤长度。典型场景为当输入光场为圆偏振±1阶OAM模式时，输出光场的圆偏振方向和OAM阶数会发生反转，具体表现为左旋圆偏光输入，右旋圆偏光输出，右旋圆偏光输入，左旋圆偏光输出，同时OAM模式的阶数反转。这种圆偏振旋向和OAM模式阶数同时改变的场景可类比于半波片旋转线偏振方向的作用。

若构造的模式波片类似于四分之一波片时，相位差满足δ＝(2n+1/2)π，n为整数，依据此式计算出对应的少模光纤长度。典型场景为当输入光场为TM₀₁和TE₀₁的叠加场，此时输入光场为混合矢量模式。所述模式波片作用于输入光场后，输出光场为圆偏振1阶OAM模式。混合矢量模式空间每一处都为线偏振，这种将空间分布线偏振偏振方向转为圆偏振光场的场景可类比于四分之一波片可将线偏振光转为圆偏振光的作用。

优选地，少模光纤可以采用阶跃折射率分布或渐变折射率分布等折射率分布类型。所述少模光纤为阶跃折射率分布时，光纤结构简单，制作方便，是目前成熟普遍的少模光纤类型，采用解析法和数值法可快速计算出所支持的模式的有效折射率，依据TM₀₁和TE₀₁的有效折射率差，计算出模式经过光纤传输的变化量。所述少模光纤为渐变折射率分布时，光纤结构简单，制作方便，工艺成熟，采用仿真软件可数值法计算出所支持的模式的有效折射率，依据TM₀₁和TE₀₁的有效折射率差，计算出模式经过光纤传输的变化量。

优选地，少模光纤可由其他同样支持TM₀₁和TE₀₁的各种光纤，包含多模光纤和环形光纤等，其中优先选择环形光纤。所述光纤采用多模光纤时，径向高阶模式没有被抑制，输入光场需要精准激发，具体为输入光纤的模式需要对径向光场进行限制，可以使用空间光调制器加载径向分布函数进行限制。所述光纤采用环形光纤时，径向高阶模式得到抑制，模式串扰小，输出模场简化。由于环形光纤对径向光场的限制，模式波片的现象更好。

优选地，少模光纤长度的选取具有多个值。以类比于半波片的模式波片为例，相位差满足δ＝(2n+1)π，n为整数，依据此式计算出对应的少模光纤长度。n可取0,1,2等整数，但优先选取n＝0对应的光纤长度。光纤制造过程中不可避免的存在缺陷，同时光纤也会受到环境扰动的影响，包含温度、压力等因素，因此较短的少模光纤所累积的随机相位扰动更少，模式波片对模式的调控更为精确和稳定。

优选地，所述模式波片可以作用于任意振幅比的TM₀₁和TE₀₁的合成光场，达到对特定复杂光场的类似于波片的模式调控作用。

本发明第二方面提供了一种基于少模光纤的模式转换方法，对少模光纤输入含有TM₀₁和TE₀₁分量的一阶模群模式，经过预设长度的少模光纤后一阶模群分量的两个模式积累一定的相位差，该相位差引起合成模式的变化从而实现模式的改变。

所述一阶模群模式包括微弱退简并的TM₀₁和TE₀₁以及简并模式

和/>

当一阶模群模式为TM₀₁和TE₀₁时，两个模式累积的相位差为：

其中

和/>

分别为TM₀₁和TE₀₁的传播常数，L为少模光纤的长度。

通过本发明所构思的以上技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在原理上基于少模光纤中TM₀₁和TE₀₁固有的微弱退简并现象，两模式之间的相位差会随光纤传播累积，与传统的波片两个偏振分量的相位差作用具有相似性。但相比于传统的波片只能改变光场的偏振态，所述模式波片能作用于空间模式，能同时改变偏振和相位的空间分布，是一种高阶的模式波片。

2、本发明适用的应用范围广，可广泛应用于光纤光镊、光纤成像和光通信等领域。

3、本发明基于TM₀₁和TE₀₁固有的微弱退简并效应，该效应在光纤及其他类型的波导中广泛存在，可改进空间大。

4、本发明采用全光纤组件，相比于波片，成本更低，体积更小，灵活度更高，制作方便。且与现有的光纤通信***兼容，便于连接和集成。

5、本发明提供的模式波片类型广泛，少模光纤传输中TM₀₁和TE₀₁相位差正比于光纤长度，不同光纤长度对应不同相位延迟，便于制作类似于半波片、四分之一波片和其他类型的波片的模式波片。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于少模光纤的模式波片的应用示意图；

图2是本发明实施例提供的类似于半波片的应用示意图；

图3是本发明实施例提供的类似于四分之一波片的应用示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于少模光纤的模式波片，主要包括一段特定长度的少模光纤。该模式波片主要依赖于支持TM₀₁和TE₀₁模式的少模光纤。首先依据光纤结构参数计算或测量出的TM₀₁和TE₀₁有效折射率，计算出两个模式累积的相位差

其中/>

和/>

分别为TM₀₁和TE₀₁的传播常数，L为光纤长度。入射光场为含有或只含有TM₀₁和TE₀₁的叠加光场，叠加光场的TM₀₁和TE₀₁分量具有微弱的传播常数差，在少模光纤传输中会累积相位差，累积的相位差会造成输出叠加光场的改变，达到对模式偏振和空间相位的调控，发挥类似于波片的模式波片作用。

具体地，可以作用于任意振幅比的TM₀₁和TE₀₁的合成光场，达到对特定复杂光场的类似于波片的模式调控作用。

具体地，在实施模式波片对模式操控作用时，需要合适的模式激发方法，模式激发可采用相位板、Q板、空间光调制器、模式定向耦合器等。所述相位板，输入端为自由空间高斯光，输出端为高阶模式，自由空间高斯光由单模光纤输出经准直器准直到自由空间，相位板可包含螺旋相位分布，用于产生OAM模式。

具体地，对于所述Q板，输入端为自由空间高斯光，输出端为高阶模式矢量光，自由空间高斯光由单模光纤输出经准直器准直到自由空间，输入光为线偏振时，可产生矢量模式，输入光经四分之一波片转为圆偏振高斯输入光时，Q板可产生圆偏振OAM模式。

具体地，对于所述空间光调制器，输入端为自由空间高斯光，输出端为高阶模式，自由空间高斯光由单模光纤输出经准直器准直到自由空间，空间光调制器包含透射型和反射型，所述反射型空间光调制器包含正入射和斜入射两种使用方式，均可将X偏振光调制成OAM模式等高阶模式。同时可以通过叠加方式产生矢量光。

具体地，对于所述模式定向耦合器，输入端为单模光纤，输出端为少模光纤、多模光纤或环形光纤，通过光纤预拉锥匹配和两根光纤同时拉锥熔接，将锥区中输入端的高斯基模耦合到输出端的高阶线偏振模或圆偏振OAM模式，通过偏振控制器对输入端与输出端的工作状态调节，输出光纤高阶线偏振模式或圆偏振OAM模式。

具体地，少模光纤需要支持TM₀₁和TE₀₁模式，少模光纤选择不局限于少模光纤，亦可选取多模光纤和环形光纤。

具体地，选用的光纤为多模光纤或支持径向高阶模式的少模光纤时，在产生输入模式时，需要对径向高阶模式进行限制，用于抑制光纤中径向高阶模式的激发，使输出模式更为纯净。例如采用空间光调制器激发模式时，螺旋相位图案需要叠加光场径向分布限制。

具体地，选用的光纤为环形光纤时，通过增大芯包折射率差增大模群之间的有效折射率差，模群间串扰更小；环形芯层设计提升了对径向高阶模式的限制，模式激发不需要考虑径向高阶模式的影响。上述两个特性共同促进了TM₀₁和TE₀₁模式的稳定传输，基于环形光纤的模式波片更稳定，适应性更强。

以下结合具体实施例及附图进行说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于少模光纤的模式波片的应用示意图，包括：模式激发1、少模光纤2、模式输出3。输入的光场包含TM₀₁和TE₀₁模式分量，当输入场在光纤中传输时，由于TM₀₁和TE₀₁具有微弱的有效折射率差，输出端两个模式会积累一定的相位差，该相位差会引起合成模式的改变，例如模式的空间偏振分布发生变化，类比传统的偏振波片，该装置可实现模式的改变，称为模式波片。

如图2所示，本发明提供的类似于半波片模式波片的一个具体实施例，具体实施方式如下：

所述波片类似于半波片时，TM₀₁和TE₀₁在所述模式波片作用后积累的相位差为π的奇数倍，典型值为π。典型场景为当输入光场为圆偏振±1阶OAM模式时，输出光场的圆偏振方向和OAM阶数会发生反转，具体表现为左旋圆偏光输入，右旋圆偏光输出，右旋圆偏光输入，左旋圆偏光输出，同时OAM模式的阶数反转。这种圆偏振旋向和OAM模式阶数同时改变的场景可类比于半波片旋转线偏振方向的作用，如图2所示。不同于传统波片，模式半波片的快(慢)轴为环形。

如图3所示，本发明提供的类似于半波片模式波片的一个具体实施例，具体实施方式如下：

所述波片类似于四分之一波片时，TM₀₁和TE₀₁在所述模式波片作用后积累的相位差为(2n+1/2)π，n＝0,1,2…，典型值为π/2。典型场景为当输入光场为TM₀₁和TE₀₁的叠加场，此时输入光场为混合矢量模式。所述模式波片作用于输入光场后，输出光场为圆偏振1阶OAM模式。混合矢量模式空间每一处都为线偏振，这种将空间分布线偏振偏振方向转为圆偏振光场的场景可类比于四分之一波片可将线偏振光转为圆偏振光的作用，如图3所示。不同于传统波片，模式半波片的快(慢)轴为环形，输入的合成光场空间每一点的光矢量方向与环形快(慢)轴夹角为±45°，输出场则为圆偏振分布，与四分之一波片的作用非常相似。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于少模光纤的模式波片，其特征在于，包括依次连接的模式激发模块、少模光纤和模式输出模块；所述模式激发模块用于对少模光纤输入一阶模群模式，所述一阶模群模式包括微弱退简并的TM₀₁和TE₀₁，经过预设长度的少模光纤后在模式输出模块积累一定的相位差，该相位差引起合成模式的变化从而实现模式的改变；两个模式累积的相位差为：

其中

和/>

分别为TM₀₁和TE₀₁的传播常数，L为少模光纤的预设长度；

所述少模光纤包括阶跃折射率分布或渐变折射率分布的类型。

2.根据权利要求1所述的基于少模光纤的模式波片，其特征在于，所述模式波片可表现半波片或者四分之一波片；

所述模式波片表现为半波片时，TM₀₁和TE₀₁在所述模式波片作用后积累的相位差为π的奇数倍；

所述模式波片表现为四分之一波片时，TM₀₁和TE₀₁在所述模式波片作用后积累的相位差为(2n+1/2)π，n＝0,1,2…。

3.根据权利要求1所述的基于少模光纤的模式波片，其特征在于，所述少模光纤为支持一阶模群模式的光纤。

4.一种基于少模光纤的模式转换方法，其特征在于，对少模光纤输入一阶模群模式，所述一阶模群模式包括微弱退简并的TM₀₁和TE₀₁，经过预设长度的少模光纤后一阶模群分量的两个模式积累一定的相位差，该相位差引起合成模式的变化从而实现模式的改变；两个模式累积的相位差为：

其中

和/>

分别为TM₀₁和TE₀₁的传播常数，L为少模光纤的预设长度。/>

Images