近日，上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室王廷云教授研究团队的文建湘教授在国际著名光学期刊《ACS Photonics》和《Optics Letters》上分别发表了最新研究成果。研究团队利用实验室制备的高双折射少模有源光纤，在全光纤结构系统中实现了腔内涡旋光学振荡的光纤激光输出（如图2所示）。该圆偏振OAM激光器具有高输出功率、高纯度及良好稳定性。首次报道在全光纤系统中实现的腔内圆偏振OAM振荡激光器，输出功率高达252 mW。同时，通过螺旋扭曲的高吸收系数的少模有源光纤（HA-FM-EDF）在环形腔涡旋激光系统中实现了腔内模式转换与模式保持（如图3所示），提出一种波长与拓扑荷数可调谐的OAM激光光源。
当前的光通信方式依赖于多种自由度的调控，包括振幅、频率、相位和偏振。然而，随着数据传输需求的快速增长，现有通信系统因光纤非线性效应接近香农极限。OAM复用为光纤和自由空间通信提供了额外的维度，以增强信息容量，并缓解即将到来的容量危机。携带OAM的光束称为涡旋光束，而圆偏振涡旋光束可以大幅提升通信系统的传输速率和容量。尽管由庞大光学元件组成的自由空间光学系统能够稳定地产生和检测圆偏振涡旋光束，但在许多实际应用中，全光纤光学系统具有更好的兼容性、成本低、串扰少、传输距离长等优势。
图1 （a）有效模式折射率（neff）及（b）椭圆度随扭转速率的变化。当扭转速率为6.28 rad/mm时，仿真和实验得到的模场分布和相位分布（（c）l= +1，（e）l= −1）以及偏振态（（d）l= +1，（f）l= −1））
针对上述研究背景，研究团队制备了一种在C波段具有高增益和高双折射的少模有源光纤，通过扭转高双折射少模掺铒有源光纤（Hi-Bi FM-EDF），在光纤内实现了线偏振的高斯光束到圆偏振涡旋光束的模式转换（如图１所示）。
随后，利用扭转有源光纤搭建全光纤型涡旋光激光系统（如图２所示）。该系统直接激发可控的圆偏振涡旋光激光。腔内的无源光纤采用实验室研制的少模旋转光纤，保持圆偏振OAM光束的传输和振荡。
图2 圆偏振涡旋光激光的产生与放大过程示意图：（a）产生和检测OAM模式的激光腔；（b）腔内模式转换和振荡；（c）涡旋光放大系统。
同时，课题组提出了一种动态可调的OAM激光光源。通过螺旋扭曲的高吸收系数的少模掺铒有源光纤（HA-FM-EDF），在环形腔结构的腔内实现了模式转换的涡旋光激光器。研究团队利用实验室制备环芯光纤搭建了涡旋光激光系统，并通过Sagnac环路实现了波长的可切换特性。此外，采用不同螺距的扭曲HA-FM-EDF，实现了拓扑荷的可调性。这标志着在全光纤型涡旋激光器系统中首次实现了不同波长和不同拓扑荷的OAM二维复用。
图3 全光纤型腔内OAM 振荡的涡旋光激光系统示意图与一阶OAM激光输出光谱特性：（a）产生和检测OAM模式的激光腔系统；（b）激光光谱和横模场分布及其干涉图；（c）激光输出功率随泵浦功率的变化
图4 波长可调谐的一阶涡旋激光特性：（a）仿真和（b）实验的Sagnac 环透射光谱；（c）不同波长输出激光光谱；（d）不同调谐波长处模场分布及其干涉图
实验室研究团队设计并制作了螺旋扭转高增益的Hi-Bi FM-EDF，实现了圆偏振涡旋光束的产生和激发，成功研制出全光纤型的腔内涡旋光束振荡激光器。利用实验室制备的两类旋转少模光纤，实现涡旋光束的保持和放大，最终在腔内实现全光纤型涡旋光束振荡激光输出。所获得的涡旋光激光光源具备波长和拓扑荷的高可调性与高集成度。该激光器在拓展多功能高阶涡旋光激光光源应用于超高分辨率成像、超高精度检测、精细激光加工和量子通信等前沿领域中，具有较大的发展潜力。
论文信息：
Yan Wu, Jianxiang Wen, Yinghui Lu, Fengzai Tang, Geoff West, Yanhua Luo, Fufei Pang, Gang-Ding Peng and Tingyun Wang,“Over 252 mW Circularly Polarized Vortex Fiber Laser with Intracavity Tunable Helicity and Chirality via a High-Gain and High-Birefringent Active Fiber”，ACS Photonics 2024, 11, 8, 3447-3453.
Yan Wu, Jianxiang Wen, Yinghui Lu, Fufei Pang, Fengzai Tang, Geoff West, and Tingyun Wang, “Topological-charge-tunable and wavelength switchable vortex laser enabled by a helically twisted high-absorption few-mode Erbium-doped fiber”，Optics Letters，2024，49, 20: 5691-5694.
其中博士研究生吴妍为第一作者（目前在Worcester Polytechnic Institute，WPI），文建湘教授为通讯作者。论文合作者还包括：澳大利亚新威尔士大学Gang-Ding Peng教授，英国华威大学Fengzai Tang博士与 Geoff West博士；此项工作也获得国家重点研发计划（2020YFB1805800），国家自然科学基金项目（61975113）、教育部高等学校学科创新引智计划（111计划）等支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.4c01022;
https://doi.org/10.1364/OL.533911
