轨道角动量与超连续谱光纤技术

逍遥设计自动化

引言
轨道角动量(OAM)是具有螺旋相位波前和环形强度分布特征的光场特性。这种独特的光场特性在光通信、超分辨显微成像等前沿应用领域具有重要应用价值。通过超连续谱(SC)产生技术实现宽波段OAM光束的产生，是该领域的重要技术突破[1]。

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# I5 j  E3 k; m* F4 M8 L图1展示了(a)锗掺杂环形核心光纤中超连续谱产生的示意图，以及(b)显示折射率分布的光纤横截面结构。

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光纤设计与材料选择
6 i& Y1 l3 j& W光纤材料和结构的选择对于支持OAM模式传输和实现高效SC产生具有决定性作用。锗掺杂二氧化硅因其优异的物理特性和与传统光纤制造工艺的兼容性，成为理想的材料选择。该材料具有高机械强度、长期结构稳定性、低电离辐射敏感性和低化学活性等特点。此外，其热膨胀特性与二氧化硅玻璃接近，有利于制造高质量、长寿命的光纤。

" F' J# y9 v9 q2 N$ p% a环形核心光纤(RCF)设计包含被二氧化硅包层包围的锗掺杂环形区域。这种结构特别适合OAM模式传输，因为OAM模式的环形强度分布与光纤的几何结构自然匹配。锗掺杂核心与二氧化硅包层之间较大的折射率差确保了有效的模式分离，减少了相邻模式之间的耦合。

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色散工程与优化
! i8 V/ n$ g7 t2 n; Y色散管理是SC产生过程中的关键因素。光纤的色散特性显著影响谱线展宽过程和产生的超连续谱质量。
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" A! h& B" o& J图2显示了不同锗掺杂浓度下的色散-波长曲线，展示了掺杂水平对色散特性的影响。
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1 ?2 A0 b, D6 F& |, u图3展示了不同(a)环宽度和(b)光纤内层二氧化硅半径对应的色散-波长曲线，显示了几何参数对色散特性的影响。
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0 w/ U* v& E: X" Y$ ^通过精确优化光纤参数，包括50 mol%的锗掺杂浓度、1 μm的内层二氧化硅半径和1.8 μm的环宽度，设计的光纤实现了优异的平坦色散特性。在1040至2810 nm的宽波长范围内，总色散变化保持在±30 ps/nm/km以内。
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模式特性与场分布
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图4显示了OAM1,1模式在不同波长下的归一化强度和相位分布，展示了环形强度分布和螺旋相位结构的保持性。
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设计光纤中的OAM模式在宽波长范围内保持其特征的环形强度分布和螺旋相位波前。模场在锗掺杂环形区域内表现出优异的约束性，有效模场面积随波长逐渐增加。OAM1,1模式2π的方位相位变化对应于拓扑电荷数为1。

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超连续谱产生过程
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8 `/ T2 z) V* {; [图5展示了设计的锗掺杂二氧化硅RCF在不同传输长度下输出谱的演化。

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7 R, k- M7 X; q/ e7 s图6显示了在优化RCF中传输的OAM1,1模式泵浦脉冲的(a)谱域和(b)时域演化。
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. U, t" F2 K  ^) D) O. k$ cSC产生过程始于将中心波长1400 nm、脉宽70 fs、峰值功率120 kW的脉冲注入设计的光纤。初始阶段，由于自相位调制(SPM)效应，在泵浦波长周围出现对称的谱线展宽。在反常色散区域，高阶孤子效应进一步扩展谱线同时压缩脉冲时域宽度。孤子随后分裂成基频分量，在正常色散区域产生色散波。通过光波破碎产生额外的谱分量，最终形成从630 nm延伸到2760 nm的超连续谱，功率电平为-40 dB。

优化的色散特性和强非线性使得在相对较短的12 cm传输长度内即可实现高效的SC产生。0.78 mm的非线性长度(LNL)和53 mm的色散长度(LD)表明，非线性效应主导谱线展宽的初始阶段，而色散在塑造最终超连续谱形态中发挥重要作用。

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: N) u6 R" [. m结论与展望
, v' O8 {6 P8 h* t4 J) X锗掺杂环形核心光纤在保持OAM模式特性的同时实现了超过两个倍频程的超连续谱产生，这一成果为需要宽带OAM光束的应用提供了新的技术方案。50 mol%的锗掺杂浓度、1.8 μm的环宽和1 μm的内半径的优化设计实现了从630 nm到2760 nm的超宽带超连续谱产生。
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未来可望扩展到支持更高阶OAM模式的超宽带传输。研究重点可能集中在进一步优化光纤设计以实现更宽的带宽操作、降低传输损耗，以及开发利用宽带OAM光束独特特性的新应用。这项技术的成功展示为发展更复杂的光子系统奠定了基础，可以同时利用光的空间和光谱自由度。
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( a8 v! J/ `8 w$ g9 m1 E) p: c参考文献
4 D0 S4 Y3 c0 k7 N( Z[1] Y. Wang and L. Zhang, Eds., "Optical Signal Processing Technologies for Communication, Computing, and Sensing Applications," MDPI Books, 2023. [Online]. Available: https://www.mdpi.com/books/reprint/7078-optical-signal-processing-technologies-for-communication-computing-and-sensing-applications. [Accessed: Dec. 29, 2024]
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