光纤中光子轨道角动量模式的产生及特性研究

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当今社会,对于通信行业而言,信息传输量领域的发展已接近瓶颈,而一个新的通信复用方式将会起到尤为重要的作用。进入二十一世纪之后,轨道角动量复用技术在通过实验论证其可行性之后,给了人们一丝曙光。根据Maxwell经典电磁理论,光波携带有的动量包括线动量和角动量,而角动量又分为由光束的偏振特性产生的自旋角动量和与光束的螺旋形相位结构相关的轨道角动量。区别于其他光束的波长、强度等特性,轨道角动量是其单独存在的另外一个参量,其模式间的相互正交保证了信号传输过程中不会有串扰情况的发生,而且以正交模式独立存在的数据流增加传输系统容量是切实可行的,并且不需要在光通信系统中增加额外的频谱带宽。因此对于带有轨道角动量的光波,通过将其运用到模分复用技术中,可以在不改变原通信传输设备的基础上增加光通信的信息传输量。  然而对其获得方式,之前的很多不同报道都集中在空间光领域。众所周知,我们在光通信应用中使用的通信媒介为光纤,而不是在空气中。如果我们将空间中转换得到的带有轨道角动量模式的光束耦合到光纤中用于光通信,那么在耦合过程中必定会损失能量而且较为严重的是产生模式失真。因此,我们需要一种简约、有效的方式能够在光纤中产生带有轨道角动量模式的光束。基于有效介质理论,我们通过改变光纤纤芯的结构,使其内部在径向上的折射率沿顺时针方向逐渐变化。当传导光波入射到该结构时,会因为不同径向上的折射率不同而导致光程的差异,从而引起对应的相位延迟形成相位波前的螺旋形结构,即产生了带有轨道角动量模式的光波。将得到的光波与参考光波干涉后,通过检测可观察其强度图及相位图。该结构有效避免了空间光耦合到光纤中导致光功率下降及模式失真等问题。通过模分复用技术,将带有不同阶数轨道角动量模式的光波作为不同的信道,实现了从另一维度极大地增加光通信的容量。  同时,我们在总结各个不同轨道角动量模式命名方式的基础上,提出了一套简单易记的命名方式,并且对于各个角标参量的命名理论依据我们也都进行了论述证明。用这种方式记录的轨道角动量模式更加清楚明白,我们希望能用这种方式改善原轨道角动量领域命名方式混杂的现象。
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