基于集成长周期光纤光栅的多阶轨道角动量模发生器

专家视点

模分复用技术是提高光纤通信能力的有效方法。为了实现多通道、多阶轨道角动量模式发生器，Ma等人使用二氧化碳激光器在少模光纤的不同表面上集成了多个长周期光纤光栅，每个长周期光纤光栅可以作为一个独立的模式通道来实现不同阶数的轨道角动量模式转换。集成长周期光纤光栅通过将光纤以相反方向旋转角嵌入到少模光纤的多个表面。通过控制旋转角度，可以设置集成长周期光纤光栅的数量。实验中，研究人员选择的旋转角度为43°，可集成多达9个长周期光纤光栅，即实现第一轨道角动量模式转换通道数为9个。用这种方法制造的集成长周期光纤光栅允许灵活地设计通道间距。此外，集成光栅周期的灵活选择实现了多通道二阶和三阶轨道角动量模式转换的同时生成。多通道、多阶轨道角动量模式发生器在光通信复用系统和轨道角动量传感中有着重要的应用。该工作发表在Optics Letters上。

模分复用技术是提高光纤通信能力的有效方法。在模分复用系统中，由于轨道角动量模式和线性偏振模式的正交性，它们可以作为独立通道在少模光纤中传输通信数据。用于将光纤中的基模转换为高阶轨道角动量模式的模式耦合器至关重要。基于光纤的模式耦合器比空间模式发生器更受欢迎，包括光子灯、模选耦合器、光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅。由于其制造灵活、结构多样等优点，长周期光纤光栅在轨道角动量模式生成中得到了广泛的研究。

近年来，研究人员利用长周期光纤光栅实现了单阶轨道角动量模式的生成，轨道角动量模式范围从一阶到四阶。但是，为了实现模分复用与波分复用的结合，需要同时生成多个高阶轨道角动量模式。一种方法是利用单个高阶衍射阶长周期光纤光栅来实现多个高阶芯模的激发。Detani等人通过单个高衍射阶螺旋长周期光纤光栅实现了二阶和三阶轨道角动量模式的同时生成。然而，在四模光纤中存在三阶轨道角动量模式，导致耦合效率和模式纯度较低。Cheng等人提出了一种利用单个高衍射阶长周期光纤光栅同时产生三个不同阶轨道角动量模式的方法。虽然这种高阶衍射阶长周期光纤光栅增加了耦合模式的数量，但轨道角动量模式通道的最大数量限制在3个。此外，共振峰的波长受到高衍射阶长周期光纤光栅的选择的限制。为了更灵活地控制模式通道的数量，研究人员提出了集成光纤光栅。集成光纤光栅技术利用光纤的空间位置，允许在芯和包层的不同位置上刻光栅。采用级联光栅形成阵列的集成方法可以显著延长集成光栅的长度。相比之下，并行集成方法充分利用了光纤的空间结构，可以在超短光纤长度上制造多通道器件。Jiang等人利用飞秒激光器在少模光纤上集成了三个平行光栅。然而，这种方法需要对光纤进行高精度的位移控制且模式转换器的通道数受光纤芯径的限制。因此，增加集成光栅的数量以提高多阶轨道角动量模式转换的通道数量仍是一个挑战。

少模光纤的芯/包层直径为16/125 µm，可支持1550 nm的六个线偏模式（LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁和LP₁₂模式）。芯与包层的折射率差为0.01。图1(a)显示了集成多个长周期光纤光栅的实验装置示意图，其中包括一个超连续宽带源（BBS）、两个旋转钳和一个光谱分析仪。利用二氧化碳激光器在少模光纤中引入周期性折射率调制以形成长周期光纤光栅。通过同时扭转光纤两端，多个长周期光纤光栅从不同方向嵌入光纤中。每个长周期光纤光栅处于非并行状态但交错分布，大大减少了光栅之间的相互作用，使每个光栅可以作为一个独立的模式转换通道。两种长周期光纤光栅的综合分布，如图1(b)所示。集成长周期光纤光栅的制作步骤如下：首先，将少模光纤固定在两个旋转夹具中。在两个旋转夹钳不旋转的情况下，采用二氧化碳激光点对点法制备LPFG-1。然后，左旋转钳逆时针旋转θ，右旋转钳顺时针旋转θ。LPFG-2通过保持二氧化碳激光书写的初始位置不变来制备。如图1(b)所示，LPFG-1（蓝色）和LPFG-2（红色）的起始位置相同。LPFG-2制作完成后，将两个旋转钳通过θ重新扭转并将LPFG-n内嵌。LPFG-n的制备步骤与LPFG-2相同。刻LPFG-n后，将左侧旋转钳顺时针旋转(n−1)×θ，将右侧旋转钳逆时针旋转(n−1)×θ，使少模光纤解除旋转。最后，得到了集成n个长周期光纤光栅的模式转换器组件，通过改变长周期光纤光栅的周期可以实现多个独立通道的模式转换。集成长周期光纤光栅的个数可由旋转夹紧的扭转角度决定。例如，如果集成长周期光纤光栅的数量为5，则两个旋转夹具需要旋转4次，每次旋转90°。为了实现高阶芯模转换和轨道角动量模式转换，利用软件计算LP₀₁模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式和LP₃₁模式的有效折射率。根据相位匹配条件，可以得到基模与高阶芯模之间的模式耦合。图2显示了在1200-2000 nm波长范围内，从LP₀₁模式转换到LP₁₁、LP₂₁和LP₃₁模式时，谐振波长与光栅周期的关系。附图为模拟得到的LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁和LP₃₁的模式强度分布。由于LP₀₁模式与LP₂₁、LP₃₁模式的有效折射率差异较大，导致光栅周期较小，增加了光栅刻蚀的难度。因此，研究人员分别计算衍射阶数N=2的LP₂₁模式和衍射阶数N=3的LP₃₁模式的光栅周期。首先，研究人员研究了在不同扭转角度下实现从LP₀₁模式到LP₁₁模式转换的长周期光纤光栅的特性。少模光纤分别扭曲90°、180°、270°和360°后，制作4个周期为760 µm的长周期光纤光栅。长周期光纤光栅长度为34.2 mm。四种长周期光纤光栅的透射光谱，如图3所示。长周期光纤光栅的转换效率可达95%以上。随着扭转角的增加，共振波长发生蓝移，最大波长位移为18 nm，这是由于冻结应变在沿光纤旋转时转化为扭转应力。改进的写入效率随扭转角的变化可归因于二氧化碳激光照射过程中的粘弹性冻结现象。较高的扭转角度导致更明显的冻结应力，从而促进高对比度长周期光纤光栅的铭文。LP₀₁到LP₁₁模式转换过程中集成的5个长周期光纤光栅的光谱演变，如图4(a)所示。这五个长周期光纤光栅集成在33.8 mm长的少模光纤上，两个旋转夹需要旋转4次，每个旋转90°。为了避免5个长周期光纤光栅谐振峰重叠，光栅周期分别设置为740 µm、770 µm、795 µm、820 µm和845 µm。根据相位匹配条件，较短的周期应导致较长的共振波长。较短时期的长周期光纤光栅首先被刻蚀。由于二氧化碳激光器的光斑大小，第一个长周期光纤光栅嵌入光纤的区域与第二个长周期光纤光栅的区域部分重叠。这种重叠导致第一个长周期光纤光栅的折射率调制深度增加。为了避免第一个长周期光纤光栅的过耦合，第一个长周期光纤光栅的耦合效率应小于10 dB。两个旋转夹在不同方向旋转90°的间隔，以刻蚀剩余的四个长周期光纤光栅。第二个长周期光纤光栅（LPFG-2）的对比度为9.2 dB，而第一个长周期光纤光栅的对比度变化不大。在第三个长周期光纤光栅（LPFG-3）的刻蚀过程中，LPFG-2的对比度逐渐增加到17.5 dB。为了避免LPFG-2的过耦合，降低了写入LPFG-3的激光功率。此外，由于扭转角的增加，长周期光纤光栅的写入效率提高，因此，写入长周期光纤光栅的激光功率逐渐降低。在第5个长周期光纤光栅内切后，扭转被去除，导致多集成长周期光纤光栅的共振波长发生蓝移，如图4(b)所示。对比度的变化可能由钳的压力引起。由于共振倾角的重叠，在光谱中间形成了一个凹形。为了避免相邻谐振凹陷之间的重叠，可以通过增加光栅长度来减小长周期光纤光栅的3-dB带宽。为了验证集成长周期光纤光栅的模式转换，研究人员使用可调谐激光器和CCD构建了监测系统检测共振波长的模式场强度分布。由于可调谐激光器的波长范围为1454-1641 nm，因此，只能监测部分共振的模场强度分布集成长周期光纤光栅的波长。图4(c)显示了谐振波长在1467.0 nm、1543.0 nm和1626.0 nm处的模场强度分布，表明LP₁₁的模式转换得到了有效实现。

通过改变扭转角，可以灵活控制集成长周期光纤光栅的数量。图5显示了长周期光纤光栅数分别为4、5、6、7、8、9时的透射光谱，实现了从LP₀₁模式到LP₁₁模式的转换。多集成长周期光纤光栅的长度分别为33 mm、33.8 mm、34 mm、35.5 mm、35 mm和39.2 mm。谐振衰减的耦合效率可达90%以上，表明在极短的光纤长度内集成多个长周期光纤光栅可以有效地实现多通道模式转换。旋转角度分别为122、90、72、61、50、43。由于旋转电机的精度，实验中的扭转角度与理论计算有很小的差异。继续减小扭转角可以实现模式转换器的更多通道。通过改变光栅周期可以调节集成长周期光纤光栅的共振波长和共振倾角的间距，因此，可以在1000-2100 nm的波长范围内轻松地分布模式转换通道。虽然插入损耗确实会随着更多光栅的集成而增加，但最大插入损耗保持在2 dB以下。由于每个光栅都刻在少模光纤表面的不同位置，因此，反复的激光加热不会对光纤造成明显的损伤或变形。在制作过程中，可以通过调整激光能量和扫描速度来优化集成长周期光纤光栅的插入损耗。

 

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