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3D打印机械光栅挤压涡旋光纤激发矢量模

李先进,庞拂飞*,刘奂奂,郑浩强

(上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室,特种光纤与先进通信教育部国际合作联合实验室,上海先进通信与数据科学研究院,上海 200444

摘要:为了克服传统的光栅刻写技术会对光纤造成不可逆转的损害的缺点,我们提出了一种3D打印长周期机械光栅。在施加适当压力的情况下,该方法可以将涡旋光纤中的基模(HE11)转化为矢量模式(TM01,HE21,TE01);在谐振波长处,通过调整输入涡旋光纤的基模偏振态,可以得到较高纯度的矢量模式;在涡旋光纤上安装一个偏振控制器,使HE21偶模与奇模之间产生π/2或者-π/2的相位差,得到了±1阶轨道角动量(OAM)模式,并通过其与高斯光的干涉图案进行了验证。实验结果表明,该方法具有简单灵活、成本低廉、对光纤损伤小等优点。

关键词:3D打印;机械光栅;涡旋光纤;矢量模式

中图分类号:TN253 文献标志码:A

Excitation vector modes by applying stress on vortex fiber through an external 3D printed mechanical grating

LI Xianjin1, PANG Fufei1,*, LIU Huanhuan1, ZHENG Haoqiang1

(1. Key Lab of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks, Joint International Research Laboratory of Specialty Fiber Optics and Advanced Communication, Shanghai Institute for Advanced Communication and Data Science, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

Abstract:  In order to overcome the shortcomings of traditional grating technology in irreversible damage to optical fibers, a method for printing 3D long period mechanical gratings is proposed. In the case of proper pressure, the method can convert the base mode (HE11) into vector mode (TM01, HE21, TE01) in the vortex fiber, and the high purity vector mode can be obtained by adjusting the basic mode polarization state of the input vortex fiber at the length of the resonant wave. With the help of polarization controller, the phase difference between even mode of HE21 and odd mode of HE21 equals to π/2 or -π/2 can be achieved, and the generation of OAM modes with L=±1 were confirmed by their interference pattern with Gauss beam. This method is simple and flexible, low cost, little damage to optical fiber and so on.

Key words: 3D printing; mechanical gratings; vortex fiber; vector modes

0引言

长周期光纤光栅已经广泛应用于各种领域,如作为波长过滤器[1]、光纤传感器[2,3]以及光纤放大器[4]等。长周期光纤光栅的制作方法有很多,常见的有紫外光振幅写入法[1]、电弧加热法[5]和飞秒激光脉冲[6]等。但是,这些方法都需要在光纤纤芯中形成持久的周期性的折射率调制,不具有重构性。此外,矢量光束的独特特性,使其在光学捕获[7]、材料加工[8]、电子加速[9]和高分辨率测量[10]等领域具有重要的应用价值。近年来,人们提出了各种各样的方法来产生矢量光束,如:线偏振高斯光错位激发少模光纤[11]、计算机全息图[12]、光纤光栅[13]和干涉系统[14]等。除此之外,美国波士顿大学利用金属微弯机械光栅产生了较为稳定的矢量光束[15],但是这种金属光栅的制作价格往往较为昂贵。

随着3D打印技术的兴起与快速发展,利用3D打印机制作价格低廉、安全可靠的长周期机械光栅成为了可能。本文在施加适当压力的情况下,提出利用3D打印机打印长周期机械光栅的方法,激发光纤中的矢量光束。

1长周期光纤光栅理论

在理想情况下,光纤中的各个矢量模式是相互正交的,长周期光纤光栅通过周期性地改变光纤轴向的折射率分布,使光纤中发生可控的模式耦合。谐振波长取决于长周期光纤光栅的周期以及纤芯导模与其它模式之间的有效折射率差,即满足相位匹配条件,可以表示为:

                                                                                λ = (n1- n2) Λ                                                              (1)

其中,λ为矢量模式的谐振波长,n1为纤芯基模的有效折射率,n2为矢量模式的有效折射率,Λ为长周期光纤光栅的周期。长周期机械光栅同样符合公式(1),当对机械光栅施加压力时,会使光纤发生周期性的微弯,导致周期性的折射率调制,在满足相位匹配条件时,光纤纤芯中的基模就会耦合到环形芯中的矢量模式,实现模式转化。

2 3D打印光栅实验装置及原理

本文利用3D打印光栅激发光纤中矢量模式的实验装置如图1所示,下支路用于测量在3D打印光栅的作用下涡旋光纤的传输谱;上支路用于在矢量模式的谐振波长处激发矢量光束,同时借助于下支路中的InGaAs 相机,观察它们的光强分布图。下支路中,宽带光源 (AMONICS ASLD)的波长范围为1200~1700nm,单模光纤与涡旋光纤对准熔接,保证基模在涡旋光纤纤芯中传输,单模光纤上的偏振控制器(THORLABS FPC 561)用于调节输入涡旋光纤的基模偏振态。由文献[15]可知,在波长1550nm处,涡旋光纤纤芯基模与矢量模式HE21之间的有效折射率之差约为3×10-3,而HE21与TM01、TE01的有效折射率之差约为1.8×10-4,根据公式(1)可知,欲使HE21的谐振波长处于1550nm,3D打印的长周期机械光栅周期需在516μm左右。

实验中采用的3D打印长周期机械光栅,由工业级3D打印机(联泰 Lite 600)制作,选用光敏树脂材料,该材料具有高强度、耐高温等特性,可以保证制作完成的机械光栅能够重复多次使用。光栅周期为510μm,周期个数为76,占空比为50%,通过在其上施加适当的压力,产生微弯效应,从而将光纤中的基模转化为其它矢量模式。光谱分析仪(YOKOGAWA AQ6375)用于实时记录光谱的变化。我们适当调整施加在3D打印光栅上的压力,可以得到涡旋光纤的传输谱。其中,TM01的谐振波长为1462.4nm,HE21的谐振波长为1558.6nm,TE01的谐振波长为1635.2nm,实验结果与理论值非常接近。由于矢量光束具有不同的偏振态,通过调整图1中的偏振控制器,改变输入涡旋光纤的基模的偏振态,同时调整施加在机械光栅的压力,在不考虑另外2个矢量模式耦合效率的情况下,可以使某个矢量模式在谐振波长处达到最高的耦合效率。重复上述过程3次,分别获取3个矢量模式达到最高耦合效率时的数据,最后,我们选取3个矢量模式耦合效率最高时的谐振峰及其附近波长,可以绘制出3个矢量模式谐振峰的强度图,如图2所示。可以看到,TM01、HE21和TE01谐振峰的最大强度分别达到了-11.2dB、-11.8dB和-17.7dB。

图 1 实验装置

图 2  3个矢量模式谐振峰的强度图

3实验结果

3.1 激发光纤中的TM01模式与TE01模式

在图1的上支路中,可调谐激光器(Agilent 8168B)的波长范围为1454~1641nm,当调整可调谐激光器的输出波长分别为1462.4nm 和1635.2nm时,得到的涡旋光纤的输出近场图像如图3所示,均具有环形的光强分布。为了进一步确认产生的矢量模式,我们在光路中放置一个检偏器,并使其主轴方向(如白色箭头所示)依次为0°、45°、90°和135°,只有模式偏振的投影与检偏器的主轴方向一致时,光束才可以通过。根据矢量模式通过检偏器之后形成的花瓣图案,可以判断出:在1462.4nm波长处,3D打印长周期机械光栅使纤芯基模转化为环形芯的TM01模式;在1635.2nm处,3D打印长周期机械光栅使纤芯基模转化为环形芯的TE01模式。

图 3 光纤输出的近场光强以及通过主轴位于不同方向的检偏器后形成的花瓣图案

3.2 激发光纤中的HE21模式并产生OAM模式

由于光纤中的HE21偶模与HE21奇模是简并模式对,即它们拥有相同的有效折射率。在谐振波长1558.6nm处,涡旋光纤将会输出HE21偶模与HE21奇模的混合模式,InGaAs 相机捕获到的光强如图4所示。当光纤中HE21偶模与HE21奇模的相位差为π/2或者-π/2时,可以获得±1阶OAM模式[16]。在图1激发矢量模式的上支路中,我们增加一个偏振控制器,用于调整HE21偶模与HE21奇模的相位差,同时新增传输高斯光束的干涉支路,用于验证生成的OAM模式,实验光路如图5所示。我们调整偏振控制器2,使HE21偶模与HE21奇模的相位差为π/2,得到的+1阶OAM模式的光强图与干涉图分别如图6(a)、图6(b)所示。调整偏振控制器2,使HE21偶模与HE21奇模的相位差为-π/2,得到-1阶OAM模式的光强图与干涉图分别如图6(c)、图6(d)所示。综合图4与图6可知,我们利用3D打印的长周期机械光栅,使光纤中的纤芯基模转化成了环形芯的HE21模式,同时在偏振控制器的帮助下产生了±1阶OAM模式。

图 4 在谐振波长1558.6nm处得到的HE21光强图

图5 产生及验证OAM模式的实验光路图

               

(a) +1阶OAM模式光强图 (b)+1阶OAM模式与高斯光干涉图

                

(c)-1阶OAM模式光强图 (d) -1阶OAM模式与高斯光干涉图

图 6 ±1阶OAM模式的光强图与干涉图

4结束语

3D打印的长周期机械光栅具有改变参数方便、价格低廉和不会对光纤造成永久伤害等众多优点。本文提出了利用3D打印机打印出的长周期机械光栅的方法,成功地将光纤中的基模转化为矢量模式,在谐振波长处,TM01、HE21和TE01模式的耦合效率分别达到-11.2dB、-11.8dB和-17.7dB,同时借助于偏振控制器,在光纤输出端得到了±1阶OAM模式。实验结果表明,该方法在扩充通信容量、微观操作和传感等领域均有十分重要的应用价值。

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收稿日期:2018-04-10。

基金项目:上海市教育发展基金会和上海市教育委员会“曙光计划”(16SG35)

作者简介:李先进(1992-),男, 硕士研究生,主要从事电流传感器和OAM方面的研究。

稿件联系邮箱: xxxxxxxx@163.com

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