[发明专利]具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用

说明书

本发明提出具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用。空芯环状光纤可增大类简并模式间的有效折射率差，从而避免模式间的串扰。刻写在空芯环状光纤上半环的长周期光栅打破了光纤的圆对称结构，实现角向非同阶模式间的转换。当输入光为圆偏振基模时，可产生一阶轨道角动量模式。空芯环状光纤的空芯内填充折射率可调的光学功能材料，产生轨道角动量模式的波长可由液体折射率调谐，故此结构可实现在可调的宽带波长范围内产生轨道角动量模式。仿真表明，当光栅周期为292μm，光栅长度为1.460cm时，角动量模式转换率高于90％的宽带波长范围高达237nm，最大转换率为98.91％，所填充液体折射率对轨道角动量模式产生波长的调制率为7400nm/RIU。

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种具有非对称长周期光栅的环状光纤，及其在轨道角动量产生中的应用。

背景技术

光轨道角动量与光相位结构的旋转相对应，揭示了与自旋完全不同的光的另一种自由度，因此备受关注。目前，基于光轨道角动量的应用己在显微成像、目标探测、光通信、射频通信等领域取得了令人瞩目的进展，但同时也存在许多的问题需要解决，光轨道角动量的产生就是其中最根本的一个问题。

在自由空间中产生轨道角动量模式的设备有空间光束调制器，螺旋相位板，柱透镜等。这些方案虽然有效，但大多成本高昂且所需器件体积较大，一定程度上限制了轨道角动量产生技术的发展。

由于光纤较上述空间光学器件而言具有结构紧凑，方式灵活，成本低，损耗小，易与光系统连接，可长距离传输等优点，采用光纤产生光轨道角动量逐渐引起了人们的关注。在光纤中，轨道角动量模式可通过具有π/2相移的本征简并模式HE_lmx和HE_lmy(或者EH_lmx和EH_lmy)的线性组合得到，也就是OAM_±(l-1)m＝HE_lmx±i×HE_lmy,OAM_±(l+1)m＝EH_lmx±i×EH_lmy。然而，在传统阶跃式折射率分布光纤中，由于HE_(l+1)m和EH_(l-1)m模式之间的类简并状态，轨道角动量模式被认为不稳定传输。为解决此问题，学者们提出了一些可支持轨道角动量模式稳定传输的特殊光纤，例如反抛物线折射率分布式光纤、高折射率环辅助型光纤、环状光纤等。

目前使用光纤产生光轨道角动量的方法主要有利用微弯光纤光栅、环状光纤、旋转特种光纤及基于光纤光栅的激光器等。微弯光纤光栅由于机械微弯的恢复作用致使其长期稳定性较差，而激光器由于需要较长的稀土掺杂光纤、波分复用器及光纤偏振控制器等，使得其结构尺寸大，系统复杂。此外，多数产生光轨道角动量的光纤结构，例如长周期光纤光栅及基于双布拉格光栅的光纤激光器等结构，只能在单个波下产生轨道角动量模式，使得轨道角动量产生波长较窄且不可调谐。

发明内容

本发明的目的是克服基于全光纤结构的轨道角动量产生的波长带宽窄且不可调谐的不足，提出一种体积小、结构紧凑、灵活的具有非对称长周期光纤光栅的空芯环状光纤用于实现轨道角动量模式的产生，此轨道角动量模式产生方法具有产生波长宽带且波长可调、轨道角动量模式产生效率高的特点。

在空芯环状光纤的上半环刻制非对称长周期光纤光栅，实现在宽带波长范围内的轨道角动量模式转换。通过在光纤的空气芯内填充折射率可调的光学功能材料，例如磁流体、液晶、折射率液等，实现通过环境参数例如磁场、电场、温度等调控所填充液体折射率，进而调控产生轨道角动量模式的波长。此结构提供了一种具有高效率、产生波长宽带且波长可调的轨道角动量产生方法。

具体技术方案为：