【摘要】：隨著渦旋光束在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,產(chǎn)生具有高質(zhì)量的渦旋光束已成為重中之重。我們知道可以在自由空間中或光纖中產(chǎn)生渦旋光束,其中在光纖中的產(chǎn)生方法不僅簡化光學(xué)結(jié)構(gòu),而且相位純度更高。本文針對幾種能夠傳輸渦旋模式的光纖結(jié)構(gòu)進行研究,選擇纖芯折射率為倒拋物線型的光纖,通過在纖芯與包層中間添加一層低折射率層設(shè)計成一種新型結(jié)構(gòu)的光纖。具體工作如下:1、光纖中產(chǎn)生渦旋光束的基本理論公式推導(dǎo),根據(jù)光纖模式耦合理論,采用同階矢量模式的奇模與偶模疊加得到光纖中的軌道角動量模式,為渦旋光束的激發(fā)提供理論依據(jù)。2、對倒拋物線型的光纖結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計,在其纖芯與包層之間添加一層低折射率層構(gòu)成了新型結(jié)構(gòu)。在歸一化工作頻率的計算下得到可容納的矢量模式數(shù)目,通過數(shù)值計算了新型光纖中各個矢量模式的有效折射率、有效折射率差。仿真可容納渦旋光束的光強、相位以及線偏模LP的模場分布。證明了該光纖可容納高階軌道角動量模場,得到該光纖可支持9種矢量模式,可容納拓?fù)浜蓴?shù)為3的軌道角動量(Orbital angular momentum,OAM)模式。3、分析了設(shè)計的新型光纖產(chǎn)生渦旋光束的影響因素。設(shè)計該光纖結(jié)構(gòu)在能夠有效地使矢量模式進行分離,并發(fā)現(xiàn)對越高階的矢量模式其分離效果越好。之后并分析了倒拋物線型光纖的半徑及折射率差的變化對光纖可容納OAM模式階數(shù)的影響。研究結(jié)果表明:設(shè)計的新型光纖結(jié)構(gòu),在倒拋物線分布型光纖的纖芯與包層中間添加一層低折射率層,增大了纖芯的內(nèi)外折射率差,使容納OAM模式數(shù)目增多,并仿真驗證光纖可容納的矢量模式、OAM模式;計算有效折射率差可知光纖對越高階的矢量模式其分離效果越好;分析了設(shè)計的新型光纖產(chǎn)生渦旋光束的影響因素,為改變光纖參數(shù)對以后研究光纖中高階渦旋光束的傳輸與生成打下基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN253
【圖文】：

西安理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高階軌道角動量模場傳輸光纖的設(shè)計研究，利用纖芯為倒拋物與包層之間增加低折射率層構(gòu)成了新型結(jié)構(gòu)的光纖。通過歸一可支持的模式數(shù)目，分析其矢量模式間分離的效果，最后討論分布對于光纖可容納渦旋光束模式數(shù)目的影響�？偨Y(jié)與展望，總結(jié)全文工作，接著對利用光纖產(chǎn)生渦旋光束的提出了亟待解決的問題。研究內(nèi)容及架構(gòu)如圖 1-1 所示：

其光波攜帶定量的 OAM，根據(jù)光矢量的旋轉(zhuǎn)方向人們將渦旋光束分為左旋渦旋光束與右旋渦旋光束圖2-1[61,67]。(a) l= +1 (b) l= -1(a) l= +1 (b) l= -1圖 2-1 渦旋光束的螺旋相位示意圖Fig. 2-1The spiral phase diagram of vortex beams我們可利用渦旋光束的正交性作為一種新的復(fù)用機制，因為其在理論上存在無限多組的正交基，可豐富光通信的復(fù)用技術(shù)[67]。渦旋光束攜帶的 OAM 具有徑向與角向，利用角向的不確定性為信息傳輸方面帶來了保密性與更高的安全性。渦旋光束根據(jù)偏振與相位特性可分為偏振渦旋與相位渦旋即OAM光束，其中偏振渦旋與SAM有關(guān)，相位渦旋與OAM有關(guān)[61]。接下來從偏振與相位這兩個特性進行闡述。A. 渦旋光束的偏振特性偏振渦旋也稱為矢量光束，根據(jù)其偏振形態(tài)的空間分布，將其分為均勻偏振光與非均勻偏振光束。我們知道均勻偏振光有：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光與部分偏振光等,而在非均勻偏振光中圓柱形矢量光束比較特殊，其偏振態(tài)呈軸對稱分布。以下圖 2-2 為這種圓柱形矢量光束，可將其稱為偏振渦旋光束。

(a) 徑向偏振光 (b) 角向偏振光(a) Radially polarized light (b)Angularly polarized lig圖 2-2 矢量渦旋光束的強度分布與偏振特性[61]Fig. 2-2 Intensity Distribution and Polarization Characteristicsof Vector Vortex Beams[61]振的高斯光束與矢量渦旋光束通過高數(shù)值的孔徑透鏡(Numerical A理角度可直觀的觀察到兩束光束復(fù)雜的偏振[67]。圖 2-3 表示了經(jīng)過與徑向偏振光束的聚焦特性。(a) 高斯光束導(dǎo)致復(fù)雜的偏振(a) Gaussian beam causes complex polarization

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