百兆赫兹重频的轨道角动量模式飞秒光纤激光器

轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式激光器在大容量通信系统、激光加工、微粒子操作、量子光学领域研究有潜在应用价值.OAM模式飞秒光纤激光器具有结构简单、成本低、峰值功率高等优势而被重点研究.当前OAM模式飞秒光纤激光器在重复频率、脉冲宽度、光谱宽度等关键参数上分别都有突破,但性能难以兼得,且重复频率目前在数十MHz.本文基于模式相位匹配原理,制作了大带宽的模式耦合器,结合非线性偏振旋转锁模机理,通过优化腔内的色散,搭建了百兆赫兹重复频率的OAM模式飞秒光纤激光器.实验结果表明,一阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达113.6 MHz,脉冲半高全宽98 fs,10 d B带宽可达101 nm;二阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达114.9 MHz,脉冲半高全宽60 fs,10 d B带宽可达100 nm.相对于已报道的方案,本文报道的方案在重复频率、脉宽和光谱宽度等关键参数上综合性能较好,有望更广泛地应用于OAM通信、粒子操控等研究领域.

圆柱型光纤螺线圈轨道角动量模式

传统的沿z轴光纤传输光线的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)光束的制备方法共同之处都是从内部结构着想,光束的主光线基本上不变,只是波面在变.但要获得携带高mh的光有一定的难度.针对上述问题,本文建立以波面不变,光束主光线变化为基础的理论框架,利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高mh OAM的理论设想.研究发现:利用流动坐标(α,β,γ)计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征,有高阶OAM模式.当θ=θ0时,圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤.计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑,即圆孔衍射斑,无高阶OAM模式.

石墨烯混合等离子体波导光子轨道角动量产生及转换器设计

为满足现代社会对通信容量日益增长的需求,设计了一种基于石墨烯混合等离子体波导的可重构光子轨道角动量产生及转换器,利用时域有限差分法对器件的性能进行了仿真分析.仿真结果表明:石墨烯费米能级为0 eV时,该装置实现了拓扑荷由+1向−1或者−1向+1的光子轨道角动量的转换,转换效率达到93.6%;石墨烯费米能级为0.9 eV时,该装置可以将线偏振光转换为携带轨道角动量的涡旋光,此时该器件还可以用于识别拓扑荷为±1的涡旋光.

轨道角动量模式识别方法综述

光子轨道角动量具有涡旋和高维特性,在经典和量子领域有巨大应用潜力,目前在光学系统中有多种轨道角动量识别方法,常见的方法有以下8种:干涉仪法、镜像干涉法、平面波干涉法、角双缝干涉法、三角孔衍射法、计算全息光栅法、光学几何变换法和旋转多普勒效应法.本文详细介绍了8种方法的实验原理、实验装置、实验结果及现阶段的研究成果.

光学坐标变换实现光束轨道角动量模式分束的技术研究

实现不同OAM光束的空间分离在许多领域都起到重要作用。通过光学坐标变换原理可以实现不同轨道角动量模式的空间分离,而且可以降低相邻模式之间的串扰,从而提高OAM模式分辨率。研究为OAM模式分束提供了一种更具可行性的新方案。

长周期多芯手征光纤轨道角动量的调制

基于矢量模式耦合理论,在多模光纤中引入手性耦合纤芯结构,设计了一种光纤型光轨道角动量调制器.使用单根光纤,无需施加扭转或应力,可以实现任意光轨道角动量的调制.通过理论分析与数值仿真,研究了不同结构参数对轨道角动量模式纯度、传输损耗和有效折射率的影响.在中心纤芯和旁纤芯传播常数不变的前提下,旁纤芯数量对损耗影响较大,通过相位匹配条件计算得到的螺距可以在一定数值范围内浮动变化,两种纤芯的间距受限于模式损耗和光纤集成度.

涡旋电磁波轨道角动量模态抗干扰性能分析

鉴于涡旋电磁波所体现出的独特空间电磁场分布特征,以及其携带的轨道角动量(OAM)在理论上所具有的无穷维度模态正交特性,涡旋电磁波在无线通信领域和雷达探测与成像领域均表现出重要的研究价值和应用潜力。该文主要从涡旋电磁波空间电磁场分布的角度以及OAM模态正交性保持的角度,重点对涡旋电磁波射频收发链路中OAM模态的抗干扰性能进行分析。在C波段分别设计了不同的平面阵列天线用来产生和接收携带有OAM模态为l=+1和l=-2的涡旋电磁波束,并建立起涡旋电磁波的射频收发链路。通过引入一个喇叭天线作为干扰源,以相应涡旋电磁波束的OAM模态谱分布以及OAM模态正交性作为主要的分析依据,在不同干扰场景下抗干扰性对涡旋电磁波的收发射频链路的OAM模态性能进行仿真和分析。该文对设计的天线模型进行加工和测试,对涡旋电磁波射频收发链路中OAM模态抗干扰性能的分析,可以为涡旋电磁波在无线通信及雷达探测与成像等有关研究领域提供一些前瞻性的探索和设计上的指导。

轨道角动量天线波束控制技术的研究进展

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)因其模数的无限性与正交性在提升通信容量方面有着巨大的潜力,对解决频谱资源不堪重负的现状有很强的现实意义,而OAM波束自身的发散角限制了其远距离通信的能力。OAM波束控制技术作为OAM波束固有的发散角问题的解决方案,极具研究价值和发展前景。介绍了近年来OAM波束控制技术的研究进展,包括抛物面天线法、透镜天线法、谐振腔法、超表面法以及其他波束控制技术。OAM波束控制技术尚不成熟,针对不同类型以及不同应用领域还需进行不同侧重的研究。

基于轨道角动量复用的声波通信特性及环形相控阵设计

为提高水下声波轨道角动量的通信性能,建立环形相控阵发射和圆面接收的通信模型,研究声波轨道角动量复用通信时的源头串扰特性;提出一种新的驱动方式以提高发射效率,并分析接收偏角对通信质量的影响。研究结果表明:当使用由N个不同发射源组成的环形相控阵产生l阶轨道角动量时,将同时产生c阶的轨道角动量串扰声束(其中c=l+bN,b为非零整数)。声源数N与声涡旋阶数l满足||l≤N/2,因此,在基于该环形相控阵的轨道角动量复用通信中,任意轨道角动量信道的串扰分量均在有用信道之外。使用N×M型环形相控阵(其中N为弧形声源组数,M为每组声源内的换能器数量)发射时,增大N和M均可提高发射效率,而当相控阵中换能器数量固定时,根据实际的需要合理选取N和M,有利于提高发射效率并降低阵列控制的复杂度,体现了控制设计的灵活性;随着接收偏角增大,通信性能整体下降。

基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用

设计了一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用器,该器件主要由非对称定向耦合器和带沟槽的波导两部分组成.根据相位匹配条件,基模TE 00通过非对称定向耦合器耦合成一阶模TE 10,带沟槽的波导可支持光轴相对于水平和垂直方向旋转45°的两个正交的本征模,调整两个正交的本征模的相位差,使其进行简并,可进一步将TE 10转换为多种轨道角动量模式,并在第二个沟槽结构中进行复用.采用时域有限差分法进行仿真计算,结果表明:该器件可以实现拓扑荷为+1、0、-1的光子轨道角动量模式的产生及复用,且器件结构紧凑,尺寸小于80μm×5.3μm,损耗小于0.24 dB,适用波长范围为1.47~1.58μm.该器件制作工艺简单,易于集成,可应用于轨道角动量复用系统等领域.

轨道角动量光通信关键技术研究进展

单模光纤的通信容量已接近香农极限,传统的多路复用技术很难再提升通信容量。近年来,一种新型模分复用技术——光轨道角动量(OAM)复用被提出,与其他复用技术相结合,可以极大地提升通信容量和提高频谱效率。轨道角动量光通信的关键技术包括轨道角动量光束的产生、传输介质以及复用/解复用器件,文中对这些关键技术的最新进展和发展趋势进行了综述。

一种基于RS码的多模态轨道角动量通信系统信道编译码方法

频谱资源紧缺已成为限制无线通信技术发展的瓶颈,轨道角动量作为一种新型复用维度,由于其能够实现在同一频率同时传输多路信号,可以有效的提高系统的容量。本文通过对轨道角动量通信系统的误码率进行分析,并在此基础上引入信道编译码,建立了基于轨道角动量的通信系统编译码模型。实验结果表明,高斯噪声环境下,不同调制方式下轨道角动量通信系统误码率与标准通信信道结果相近,相比较2FSK、2PSK而言,轨道角动量通信系统中QAM调制具有更稳定、更优秀的性能。同时,模型中信道编译码的引入为今后轨道角动量通信系统在提高通信系统容量、解决系统模式串扰等方面建立了研究基础。

圆偏振可见光可改变光子轨道角动量

可见波长圆偏振光可通过等离子体超颖表面改变光子轨道角动量。这是EbrahimKarimi及其加拿大渥太华大学和美国罗彻斯特大学的研究人员发现的结果。在传统意义上,具有轨道角动量（由于螺旋状相位波前）的光是利用空间光调制器、柱面透镜模式转换器和q-板等专门的光学元件产生的。

首个轨道角动量波导光子芯片问世

据美国《物理评论快报》网站近日报道,上海交通大学金贤敏团队研制出了全球首个轨道角动量(OAM)波导光子芯片。这是首次在光芯片内制备出可携带光子OAM自由度的光波导,并实现光子OAM在波导内高效和高保真地传输。最新研究作为亮点文章在网站首页被重点推荐,有望在光通信和量子计算等领域“大显身手”。近年来,由于扭曲光(twisted light)具有“甜甜圈”分布的强度结构、螺旋型波阵面的位相结构、携带OAM的动态特性,被广泛用于光操纵、光钳等领域。

聚合物中空环芯光纤中OAM模式传输的几何容差特性研究

基于全矢量有限元法,研究了聚合物中空环芯光纤结构的椭圆、偏芯、直径不均匀等几何形变对光纤中轨道角动量模式性能的影响;此外,还研究了在保持轨道角动量模式稳定传输的条件下,光纤结构所能承受的最大形变.结果表明椭圆和偏芯会引起轨道角动量模式在传输过程中发生奇偶模间的模式走离,导致轨道角动量模式纯度降低,进而导致模式串扰增大;数值计算结果表明,当椭圆度或偏心度小于1%时,模式纯度大于99.02%,串扰小于-20.08dB.光纤的直径不均匀仅对光纤中所能支持的轨道角动量模式数量造成影响,纤芯半径越大,光纤中所能传输的轨道角动量模式越多;直径不均匀度在-3%~10%内的光纤均可支持原有的26个轨道角动量模式.

相控阵天线的OAM模式纯度研究

本文通过对产生轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)相控圆阵天线的研究,将电场中不同模式的轨道角动量分解出来,从而提出了OAM天线中纯度的定义和公式。基于此纯度理论,推导出均匀圆形相控阵的纯度公式及不同参数对纯度的影响,为比较轨道角动量的天线性能提供了一个直观的、可量化的维度。

一种可支持66种轨道角动量模式高质量传输的扭曲光子晶体光纤

为了进一步提升光子晶体光纤(PCF)在轨道角动量(OAM)生成方面的设计自由度,本文将螺旋扭曲结构引入PCF,设计了一种可用于OAM传输的扭曲PCF。该扭曲PCF具有多层圆形空气孔和一个圆环结构。通过仿真分析可知,该扭曲PCF可得到最高为17的拓扑荷数,即支持66种OAM模式的稳定传输。在C波段内,该扭曲PCF相邻模式之间的有效模式折射率差均满足?neff>10-4,所有的模式纯度均高于99.4%,且所有模式的有效模场面积和非线性系数都足够小,色散系数均低于35 ps/(km·nm),使得该扭曲PCF具有更好的传输性能和在模分复用中具有应用价值。该光纤的限制性损耗值始终保持在10-10~10-9dB/m数量级之间,因此可以实现OAM的长距离稳定传输,从而为光通信系统容量的提高也提供了一种可能的方案。

环状光纤不圆度对OAM模式传输性能的影响

围绕下一代光纤通信系统中轨道角动量(OAM)复用技术的关键问题,基于环状光纤中携带OAM的模式基础理论,仿真分析了环状光纤的不圆度对矢量合成OAM模式的本征奇模和偶模的有效折射率、走离长度以及模场强度分布的影响。结果表明,环状光纤不圆度会使得本征模式奇偶模之间的有效折射率差增大,走离长度减小,导致相应OAM模式在环状光纤中传输时稳定性下降。同时,不圆度的存在还会使矢量合成OAM模式的各本征模式的模场强度分布发生畸变,模场泄漏加剧。

基于卷积神经网络的高阶复合LG光束的OAM模式识别

针对复杂大气湍流干扰、径向指数不为零的高阶复合拉盖尔-高斯(LG)光束模式识别准确率低的问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的高阶复合LG光束的轨道角动量(OAM)模式识别方法,构建了一种基于CNN的OAM模式识别模型来研究复杂大气湍流条件下不同波长、不同传输距离对径向高阶复合LG光束模式识别准确率的影响。仿真结果表明:在复杂大气湍流情况下,当传输距离为1 km,CNN训练100次后,波长分别为850、1310、1550 nm的高阶复合LG光束模式识别准确率均达到98.8%以上;当波长为1550 nm,传输距离分别为1、2、3 km时,该模型的模式识别准确率均达到86.8%以上。

集成OAM光束发射器模式纯度仿真分析

本文通过FDTD仿真和偶极子建模仿真对不同OAM发射结构的模式纯度、模斑半径、辐射能量密度等参数进行了研究,并且分析了阶数、背向散射、耦合损耗等因素对模式纯度的影响。