基于紧聚焦的复用光涡旋耦合系统关键技术研究

With the broad use of Cloud Computing, Big Data and HD video transmission, high speed and large capacity data transmission puts tremendous pressure on the existing communication system. Therefore, it is urgent to develop multi-channel parallel transmission and new coding technology to improve the transmission rate. Multi-core fiber technology and multiplexing optical vortex coding technology are becoming more and more mature, which provide reliable technical storage for high-speed data transmission. However, it is urgent to solve the coupling of multiplexing optical vortex for long distance transmission and efficient use of optical vortex coding technology. In this project, we propose a novel method for generating “perfect vortex” by using tight focusing and hybrid phase encoding technology. The number of optical vortex and diameter of optical vortex can be controlled by using this method. In the second place, an automatic coupling system will be constructed for coupling multiplexing vortex modes into ring core fiber. And a location method of ring fiber core is proposed based on optical image, which applies to different type of ring core fiber. In the final, experiments will be done for testing the coupling efficiency and influence of eccentric coupling. And the optimal coupling parameters will be proposed in this project. The results of this research will provide fundamental scientific basis of optical vortex communication application and ring core fiber properties.

随着云计算、大数据、高清视频传输等广泛应用，高速大容量数据传输需求给现有的通信系统带来巨大压力。因此，亟待发展多路并行传输和新型编码技术提高传输速率。其中多芯光纤拉制技术和复用光学涡旋编码技术的日渐成熟，为高速数据传输提供可靠的技术储备。然而，将作为通信载波的复用光涡旋耦合进入环形光纤成为高效利用光涡旋编码的关键技术亟待解决。本项目提出使用紧聚焦波前调制技术和单像素级混合相位编码技术实现“完美光学涡旋”的产生并控制复用光涡旋的模式数量和涡旋半径大小等参数；其次，提出基于图像识别的亚像素级环形纤芯定位和半径计算方法，同时对不同规格环形芯光纤进行涡旋模式输入；最后，搭建复用光涡旋耦合系统，测试复用光涡旋耦合效率，提出最佳复用光涡旋耦合方案。本项目将丰富紧聚焦系统下光涡旋各物理量控制技术，预期研究成果将在复用光涡旋通信技术和环形光纤传输特性检测等方面具有重要应用价值。

本课题主要研究了紧聚焦波前调制技术和单像素级混合相位编码技术实现对涡旋光束多物理维度的灵活调控；探究利用复用光涡旋作为通信编码方案并对涡旋编码信息进行准确的探测和解复用；研究了基于图像识别的亚像素级环形纤芯定位和半径计算方法，搭建空间光耦合系统并测试复用光涡旋耦合效率，提出最佳耦合方案。研究成果在复用光涡旋通信技术和环形光纤传输特性检测等方面具有重要应用价值。具体研究内容如下：.利用紧聚焦波前调制技术和单像素级混合相位编码方法实现了“完美光学涡旋”的产生并控制复用光涡旋的模式数量和涡旋半径大小等参数。在此基础上，提出了可以探测-32阶到32阶复用涡旋的大容量OAM解复用阵列以及可以探测-16阶到16阶复用偏振涡旋的大容量偏振涡旋解复用阵列。提出的两个阵列通过模式匹配的方法可以检测入射光束的模式，并对入射光束实现解复用。.利用霍夫检测原理以及光纤耦合技术，提出基于图像识别的亚像素级环形纤芯定位和半径计算方法并搭建了空间光-光纤耦合系统。分析纤芯实际空间的距离与计算全息图相位控制的焦点距离，提出了相位空间与实际空间位置对应算法。利用纤芯定位算法与空间光调制器的相位调制原理，对空间光场进行调控，实现了多焦点阵列与多芯光纤的耦合。并且测试了光纤出射端的光强，尤其是多芯光纤每个纤芯的光强，验证了空间光-光纤自对准耦合系统的精度，并分析了影响多焦点阵列与多芯光纤耦合的因素，提出最佳耦合方案。.基于纯相位调制的方法，利用涡旋光螺旋形相位波前的特性，提出了螺旋手性相位板以及手性光场的实现。通过控制锥形系数、环形分区相位之间梯度拓扑荷数的正负和大小，可同时实现手性光场的大小、方向和空间分布形状的自由调控。利用空间光调制器纯相位调控机制以及波片与空间光的相位延迟，实现了对涡旋光束的偏振态进行调制，并且可以在多焦点阵列的基础上可以实现对多瓣手性光场每个旁瓣偏振态的独立调制。