[发明专利]一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置

说明书

本发明提供的是一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，其特征是：它由输入涡旋光纤1、模式转换拉锥区2、低折射率套管3、异质多芯光纤4、扇入扇出过渡区5、多孔毛细管6、双包层过渡光纤7、单模光纤8、光泵浦放大器9、泵浦光输入端口10和输出涡旋光纤11组成。本发明可用于载有轨道角动量的光纤涡旋信号高增益放大，可广泛用于基于涡旋模式复用的光纤通信系统中。

技术领域

本发明涉及的是一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，可用于载有轨道角动量的光纤涡旋信号高增益放大，可广泛用于基于涡旋模式复用的光纤通信系统中，属于光纤通信技术领域。

背景技术

随着第五代移动通信技术逐渐商用化，物联网智慧城市的不断发展，基于单模光纤的传统通信系统已经无法满足日益增长的通信带宽和信道容量需求。研究者逐步开发出波分复用、偏振复用和空分复用等多种通信方法来扩展信道容量。近几年来，科研人员又提出了一种基于涡旋光的通信系统，其理论上使用光的轨道角动量传输和承载信息能极大的提高频谱效率，并且可以与传统的复用方法叠加，从而突破带宽限制。在此背景下，针对涡旋光信号的光放大器成为了市场的新需求。

光波除了携带动量外，还可以携带角动量。光子的角动量由光束通过空间传输后发生的旋转所产生，偏振矢量的旋转产生了自旋角动量(Spin Angular Monmentum,SAM)；光的波前旋转产生了轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)。光的自旋角动量对应着光的偏振态，而光的轨道角动量则对应着光的空间模式。轨道角动量复用并不依赖于波长或者偏振态，这说明OAM复用可以兼容于波分复用系统和偏振复用系统，具有巨大的应用潜力。

目前对于如何产生载有轨道角动量的涡旋模式，各国研究者提出了多种方案，主要分为自由空间产生和光纤中产生两类。在自由空间中，研究者通常使用模数转换器，如螺旋相位版、相位全息图、超材料、柱透镜对和q玻片等。光纤法则使用光纤光栅、螺旋光纤光栅、光纤耦合器、光纤端面微加工等方法。目前市场上还未有针对涡旋光放大的专用器件，因此，一种同时放大多阶涡旋光束的波长不敏感、偏振不敏感、且不产生附加模式相关损耗的涡旋光场放大器正成为市场的共性需求。

光子灯笼是近十几年兴起的一种波导器件，能实现单模光纤与多模光纤之间模式低损耗耦合功能，是一种理想的光纤通信模分复用器件。光子灯笼连接单个多模波导与多个单模波导，一般通过低折射率毛细套管约束多根异质单模光纤熔融拉锥制备。光子灯笼是一种互易性器件，它既能实现将光纤的基模转换至特定高阶模式的模式复用器功能，也能实现将高阶模式解调并耦合至对应单模端口的光纤模式解复用器功能。光子灯笼的器件性能与光波长不敏感，使得其在光纤通信系统中有巨大的应用前景，它代表的光纤模式复用可以与传统的时分复用、波分复用、空分复用、偏振复用同时进行，以倍数形式扩展通信带宽与信道数量，是5G通信技术的重要组成部分。本发明专利的重点是如何改造光子灯笼使其能将光纤中的涡旋模式转换为标准高斯光束，从而利用泵浦合束器进行信号放大。

目前对于载有轨道角动量的涡旋模式放大，一般采用有源掺杂光纤或非线性效应。2016年，Y.Li等人实验和仿真研究了2um轨道角动量光束在Ho:YAG晶体棒中放大现象。2015年Q.Kang等人提出了一种空心掺铒环形芯光纤，实现了在C波段内实现了12个轨道角动量模式的均衡增益。2017年，N.Wang等人采用一段5m长的铒掺杂光纤使得OAM＝1和2的模式分别获得22.1db和16.7db的增益。另外有一些研究者使用非线性效应对涡旋光进行放大，例如使用受激拉曼散射和光声相互作用。

目前市场上出现的涡旋光放大方案均是直接对多阶模式进行放大，各个涡旋信道获得的增益不可单独控制，同时也会不可避免地带来附加模式相关损耗。

本发明公开了一种基于光子灯笼的涡旋光放大装置，它可以将涡旋光纤中传导的多阶涡旋光束转化为单模光纤中的高斯光束，使用泵浦合束器对其信号放大，再将放大后的信号转化为涡旋光纤中的各阶涡旋光束。与现有的其他技术相比，基于异质多芯光纤涡旋光放大装置采用全光纤连接，集成度高，可独立控制信道的增益，另外由于整个结构均满足绝热转换条件，具有低串扰、低插入损耗的优点。