“智能光子应用技术”专栏 | MDPI Sensors：光纤中轨道角动量模式的超连续谱产生

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引言✦

当今是一个信息化、数字化的时代，网络已经成为人们生活中无法缺失的一部分。各领域应用对通信容量的需求不断提高。光通信作为当今电信基础设施的重要支柱，通过全球网络支撑着各种各样庞大的信息传输，其面临的一个至关重要的问题便是如何持续提高数据传输能力。为了实现更高的数据传输容量，科研工作者从未停止对使用光波的不同物理属性进行数据编码和信道寻址的研究。虽然光子的多个维度 (包括幅度、相位、波长和偏振) 已被有效利用，但科研工作者还在继续探索更多的可能性。其中就有基于不同光子轨道角动量 (OAM) 的模式复用。

OAM光束具有螺旋相位波前，由于具有不同OAM状态的同轴光束可以携带独立信息，因此它是进一步提高基于光纤的光通信系统中数据传输速度的潜在技术之一。OAM光束的波长范围有限，需要进一步扩展系统带宽以满足各种应用需求，因此，跨越数千纳米波长范围的OAM光束的超连续谱生成是一个值得研究的目标。本篇发表在Sensors 期刊上的研究文章，以掺锗环形石英光纤结构为基础，通过调节优化各种结构参数，设计出具有平坦、近零的色散结构的光纤，能够生成跨越两个倍频程的宽带超连续谱。

 研究内容 

1992年，英国的Les Allen报告了一个发现，光束、实际上所有具有螺旋波前相位的电磁波，可以携带OAM。OAM表示电子绕传播轴旋转，它使电磁波具有涡旋状的相位波前，并且其波前沿传播轴扭转。这使得光束具有中心强度零点 (即相位奇点) 和环形形状。具有不同拓扑数的光束 (即模式) 可以形成一组正交波束。因此，OAM可以有效地复用及解复用，并且允许我们在同一个空间和同一个频带中同时发送多个独立的波束。

图1. 高斯光束和OAM₊₄光束的强度和波前分布。

本文通过使用分步傅里叶法解析广义非线性薛定谔方程进行超连续谱的生成研究。超连续谱的产生是指窄带激光入射到非线性介质后，入射激光在多种非线性效应 (如自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子自频移和受激拉曼散射等) 和色散的综合影响下，光谱得到极大展宽的现象。超连续谱的展宽与光波导中的色散条件密切相关。在光波导的反常色散区，高阶孤子光脉冲在光波导演变到最大频谱带宽的过程中会受到扰动，分裂成为多个基阶孤子，更早分裂出的基阶孤子拥有更大的振幅、更快的群速度，与主脉冲走离得更远。在高阶色散的影响下，这些孤子转移至正常色散区域形成的新频率成分可以和主脉冲展宽的频谱相互连接起来，进而促进超连续谱的展宽。因此，平坦且近零的色散曲线对于超连续谱的生成是十分重要的。

图2. (a) 超连续谱生成示意图；(b) 掺锗环形光纤的横截面和折射率分布。

此外，超连续谱的生成与输入脉冲也有着密切的关系，各种非线性效应和展宽结果，都会受到入射脉冲各参数的影响，中心波长、泵浦功率、脉冲宽度的变化都会影响最后得到的超连续谱曲线形状。随着输入脉冲的泵浦波长向长波长方向移动，得到的超连续谱的整体范围也在向长波长方向移动。而较高的峰值功率会导致较大的超连续谱展宽，但当达到一定范围时，较高的输入峰值功率会引起光谱波动并降低超连续谱平坦度。更大的脉冲宽度意味着更大的非线性效应，因为它包含更多的能量和更窄的频谱，但这也是造成频谱粗糙的主要原因。本文最终选择中心波长为1400 nm、峰值功率为120 kW、半高全宽为70 fs的脉冲作为泵浦源，在所设计的环形光纤传播12 cm之后，可以在近红外区域产生携带OAM_1,1模式，从630 nm扩展到2760 nm的超过两个倍频程的超连续谱。

图3. 输入脉冲随光纤传播距离的演变。

 研究总结 

本文通过对不同环形光纤结构色散的研究分析，设计了一种支持OAM模式的50 mol%锗掺杂环形石英光纤，其具有平坦近零色散，在1040 nm到2810 nm的范围内色散变化小于±30 ps/nm/km。通过对不同参数输入脉冲的研究分析，实现了携带OAM_1,1模式，跨越两个倍频程的宽带超连续谱的生成，有望用于各种基于OAM模式的宽频带光学应用。

本文内容所使用为掺锗单环光纤，未来研究可扩展到更高非线性材料掺杂、更复杂的光纤结构，这意味着色散有着更大的调节范围和可能性，也意味着更大带宽超连续谱的可能性，同时携带更高阶OAM模式的超连续谱也有望实现。

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原文出自Sensors 期刊：

Yang, J.; Wang, Y.; Fang, Y.; Geng, W.; Zhao, W.; Bao, C.; Ren, Y.; Wang, Z.; Liu, Y.; Pan, Z.; Yue, Y. Over-Two-Octave Supercontinuum Generation of Light-Carrying Orbital Angular Momentum in Germania-Doped Ring-Core Fiber. Sensors 2022, 22, 6699.

撰稿人：岳洋

 专栏简介 

“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。

 专栏编辑

岳洋 教授

西安交通大学

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西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师，SPIE会士、IEEE/Optica高级会员、智能光子应用技术实验室 (iPatLab) 创始人及现任PI。致力于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的基础及应用研究。已发表论文240余篇 (包括Science)，特邀论文10余篇，申请及授权专利60余项 (包括美国专利25项、欧洲专利9项，已授权30余项)，编著英文书5部，英文书章节2章，Google学术引用10,000余次，获邀报告200余次 (包括1次Tutorial，30余次Plenary和50余次Keynote)。现任IEEE Access、Frontiers in Physics 副主编，Sensors 等4个学术期刊编委，J. Lightw. Technol. 等特刊客座编辑10余次，国际会议主席、技术委员会委员100余次，70余学术期刊审稿人。

往期回顾

版权声明：

*本文内容由Sensors 期刊编委岳洋教授撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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