CN117806050A - 一种反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光技术与光通信领域，具体涉及一种反射式Pancharatnam‑Berry相位调制的矢量光解复用装置，包括基片、反射镜和接收板，反射镜平行地设置在基片的一侧，基片包括依次排布的分束区域、几何变换区域、合束区域，入射光倾斜照射到分束区域上，经分束区域反射后照射到反射镜上，经反射镜反射后照射到几何变换区域，经几何变换区域反射后再次照射到反射镜上，经反射镜反射后照射到合束区域，经合束区域反射后照射到接收板上。本发明在基片中设置分束区域、几何变换区域、合束区域，利用反射镜将入射光依次经过上述区域，即光在基片和反射镜之间多次反射实现光的解复用，器件具有简单、所占空间体积小、紧凑的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术与光通信领域，具体涉及一种反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置。
背景技术
信息技术是现代工业的支柱，光通信技术自1970年康宁公司推出第一根低损耗石英光纤以来，带动了通信领域的巨大发展。通过波分复用、空分复用、偏振复用和时分复用等技术，光纤通信实现了通信容量和速率的显著提升，迎合了大数据时代的需求。然而，光通信技术面临着容量极限的挑战，单模光纤的容量限制为100Tbit/s。为了应对海量数据通信需求，科研人员正在寻找新技术突破。发展高速大容量的光通信技术对我国信息技术发展至关重要，为各行业提供更强大的数据传输能力，推动数字化转型和智能化发展。
矢量光(CVB)是一种光束，具有光强旋转对称但非均匀偏振分布。基于这种光束发展的矢量光模分复用(CVB-MDM)光通信被认为是有望提升经典光通信的通信容量和速率、缓解容量危机的技术。在这一系统中，矢量光模式用作复用维度，实现信道扩容。通过在不同模式信道加载不同信号序列，系统通讯容量的提升与所复用的信道数目成正比。在矢量光模式复用技术中，解复用技术是关键。
研究者通过Q-plate来进行CVB的产生和解复用(G.Milione,et.al.4×20Gbit/smode division multiplexing over free space using vector modes and aq-platemode(de)multiplexer.Optics Letters,40(9),1980-1983(2015))，类似利用螺旋相位板实现涡旋光的产生和解复用，这种方法系统复杂、不紧凑。另外，基于PB(Pancharatnam-Berry)相位器件的解复用技术均是在光路中设置依次平行排布的多个器件(Generationof Elliptic-Symmetry Radially Polarized Optical Beam by Circle-CassinianOptical Coordinate Transformation,Photonics,9(8),563(2022)；Cylindrical vectorbeam sorter with spin-dependent spiral transformation.Optics Letters,46(22),5563-5566(2021))，这样的设置系统所占空间体积大，也不紧凑。而系统简单、所占空间体积小、紧凑的解复用器件具有更重要的推广和应用价值。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，包括基片、反射镜和接收板，反射镜平行地设置在基片的一侧，基片包括依次排布的分束区域、几何变换区域、合束区域，入射光倾斜照射到分束区域上，经分束区域反射后照射到反射镜上，经反射镜反射后照射到几何变换区域，经几何变换区域反射后再次照射到反射镜上，经反射镜反射后照射到合束区域，经合束区域反射后照射到接收板上；分束区域用于分离矢量光中的两个圆偏振分量，几何变换区域用于对分离的两个圆偏振分量实现几何变换，合束区域用于将完成几何变换后的两个圆偏振分量校正为聚焦波前，并将两个分离的圆偏振分量合束。
本发明应用反射镜和基片中的不同区域(分束区域、几何变换区域、合束区域)实现了光的解复用，由于光在反射镜和基片的不同区域之间反射，实现了光的解复用，器件具有简单、所占空间体积小、紧凑的优点。
更进一步地，反射镜为平面反射镜。
更进一步地，分束区域的相位函数为
其中，x、y分别为在所述基片上的坐标，y方向为分束区域、几何变换区域、合束区域的连线方向，x方向垂直于y方向；λ为入射光波长，θ为从横截面上观察到的入射光波与基片之间的夹角，h为基片与反射镜之间的距离，Δf为常数项，用于控制两个偏振分量分离的距离。
更进一步地，几何变换区域的相位函数为
其中，a、b、ck、dk均为常数，a用于控制光束的放缩倍数，b用于控制光束在传播过程中左右平移的距离，ck和dk用于控制光束在变换过程中的偏移复制倍数，sign(x)为x的符号函数。
更进一步地，合束区域的相位函数为
其中，u、v分别为x、y在傅里叶平面上的坐标，为常数项，/>用于控制光束进行相位矫正。
更进一步地，a为0.4mm，b为1.8mm。
更进一步地，λ为632.8nm。
更进一步地，c＝[1.329，1，1.329]，
更进一步地，Δf为3mm。
更进一步地，分束区域、几何变换区域、合束区域由光控取向技术在液晶基片上制备而成。
本发明的有益效果：
(1)本发明在基片中设置分束区域、几何变换区域、合束区域，利用反射镜将入射光依次经过上述区域，即光在基片和反射镜之间多次反射实现光的解复用，器件具有简单、所占空间体积小、紧凑的优点。
(2)入射的矢量光光波经过本解复用装置之后，不同拓扑荷值的矢量光会被映射到接收板上的不同横向位置之上，称为被分类进入各个通道，不可避免地是总会有部分光子逸出到其他通道内，这称为串扰现象。本发明具有串扰低，其中串扰低的原因在于，矢量光波经过本装置之后正确分类的效率高，光子正确进入对应通道的概率大，即串扰低。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置的结构示意图；
图2为分束区域的相位图；
图3为几何变换区域的相位图；
图4为合束区域的相位图；
图5为一束拓扑荷值为2的矢量光通过本装置的仿真效果图，从左到右分别是入射光光强分布图、经过PB分束后传播至几何变换区域时的光强分布图及相位图、经过几何变换平面后传播至合束区域时的光强分布图及相位图、经过相位矫正及PB合束平面后传播至接收板时的光强分布图。
图6为一束由拓扑荷值分别为-3、1、2的CVB复用产生的入射光通过本装置的仿真效果图，从左到右分别是入射光光强分布图、经过PB分束平面后传播至几何变换区域时的光强分布图及相位图、经过几何变换平面后传播至合束区域时的光强分布图及相位图、经过相位矫正及PB合束平面后传播至接收板时的光强分布图；
图7为本装置对于部分单拓扑荷值的CVB的最终解复用效果图，从左到右依次是PTC值为-3到+3的单束CVB的解复用效果。
图中：1、基片；2、发射镜；11、分束区域；12、几何变换区域；13、合束区域。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
本发明提供了一种反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，如图1所示，包括基片1、反射镜2和接收板，反射镜2平行地设置在基片1的一侧，基片1包括依次排布的分束区域11、几何变换区域12、合束区域13，入射光倾斜照射到分束区域11上，经分束区域11反射后照射到反射镜2上，经反射镜2反射后照射到几何变换区域12，经几何变换区域12反射后再次照射到反射镜2上，经反射镜2反射后照射到合束区域13，经合束区域13反射后照射到接收板上。为更清楚解释整个解复用装置的工作原理，下面分段介绍：
(1)反射镜
反射镜2为平面反射镜，用以反射入射光，使得入射光依次经过分束区域11、几何变换区域12、合束区域13。
(2)分束区域
分束区域11用于分离矢量光中的两个圆偏振分离。分束区域的相位函数为
其中，x、y分别为在所述基片1上的坐标，y方向为分束区域11、几何变换区域12、合束区域13的连线方向，x方向垂直于y方向；λ为入射光波长632.8nm，θ为从横截面上观察到的入射光波与基片之间的夹角，为0.1°；h为基片与反射镜2之间的距离，为15毫米；Δf为常数项，用于控制两个偏振分量分离的距离，其中，Δf为3mm。具体相位函数如图2所示。
(3)几何变换区域
几何变换区域12用于对分离的两个圆偏振分量实现几何变换。几何变换区域12的相位函数为
其中，a、b、ck、dk均为常数，a用于控制光束的放缩倍数，b用于控制光束在传播过程中左右平移的距离，ck和dk用于控制光束在变换过程中的偏移复制倍数，sign(x)为x的符号函数。a为0.4mm，b为1.8mm。c＝[1.329，1，1.329]，具体相位函数如图3所示。
(4)合束区域
合束区域13用于将完成几何变换后的两个圆偏振分量校正为聚焦波前，并将两个分离的圆偏振分量合束。合束区域13的相位函数为
其中，u、v分别为x、y在傅里叶平面上的坐标，为常数项，/> 用于控制光束进行相位矫正。合束区域13负责将分别完成了几何变换和相位矫正后的两个圆偏振分量聚焦到一个相同的竖直位置上，得到最终的结果光斑。具体相位函数如图4所示。
(5)接收板
接收板用于接收合束后的光。
在以上的参数设置中，将一束偏振拓扑荷值为+3的矢量光入射至本装置，入射光光强分布图、经过分束区域11后的光强分布图及相位图、经过几何变换区域12后的光强分布图及相位图、经过合束区域13的光强分布图如图5所示，按照预定设计光束聚焦到一个独特的横向位置上，实现了矢量光的高效率解复用。
在以上的参数设置中，将入射光更换为一束由拓扑荷值分别为-3、0、1的矢量光复用产生的入射光，入射光光强分布图、经过分束区域11后的光强分布图及相位图、经过几何变换区域12后的光强分布图及相位图、经过合束区域13的光强分布图如图6所示，可以观察到按照预定设计，光束将不同偏振拓扑荷值的矢量光聚焦到不同的横向位置上，实现了矢量光的高效率、低串扰解复用。
在以上的参数设置中，将入射光依次更换为拓扑荷值分别为-3、-2、-1、0、1、2、3的矢量光，最终装置输出的光强分布图如图7所示，可以观察到按照预定设计，光束将不同偏振拓扑荷值的矢量光聚焦到不同的横向位置上，实现了矢量光的高效率、低串扰解复用。
另外，在本发明中，分束区域、几何变换区域、合束区域由光控取向技术在液晶基片上制备而成，具有制备方法简便的优点。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：包括基片、反射镜和接收板，所述反射镜平行地设置在所述基片的一侧，所述基片包括依次排布的分束区域、几何变换区域、合束区域，入射光倾斜照射到所述分束区域上，经所述分束区域反射后照射到所述反射镜上，经所述反射镜反射后照射到所述几何变换区域，经所述几何变换区域反射后再次照射到所述反射镜上，经所述反射镜反射后照射到所述合束区域，经所述合束区域反射后照射到所述接收板上；所述分束区域用于分离矢量光中的两个圆偏振分量，所述几何变换区域用于对分离的两个圆偏振分量实现几何变换，所述合束区域用于将完成几何变换后的两个圆偏振分量校正为聚焦波前，并将两个分离的圆偏振分量合束。
2.如权利要求1所述的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：所述反射镜为平面反射镜。
3.如权利要求2所述的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：所述分束区域的相位函数为
其中，x、y分别为在所述基片上的坐标，y方向为所述分束区域、所述几何变换区域、所述合束区域的连线方向，x方向垂直于y方向；λ为入射光波长，θ为从横截面上观察到的入射光波与基片之间的夹角，h为所述基片与所述反射镜之间的距离，Δf为常数项，用于控制两个偏振分量分离的距离。
4.如权利要求3所述的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：所述几何变换区域的相位函数为
其中，a、b、ck、dk均为常数，a用于控制光束的放缩倍数，b用于控制光束在传播过程中左右平移的距离，ck和dk用于控制光束在变换过程中的偏移复制倍数，sign(x)为x的符号函数。
5.如权利要求4所述的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：所述合束区域的相位函数为
其中，u、v分别为x、y在傅里叶平面上的坐标，为常数项，/>用于控制光束进行相位矫正。
6.如权利要求5所述的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：所述a为0.4mm，所述b为1.8mm。
7.如权利要求6所述的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：所述λ为632.8nm。
8.如权利要求7所述的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：所述c＝[1.329，1，1.329]，所述
9.如权利要求8所述的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：所述Δf为3mm。
10.如权利要求1-9任一项所述的反射式Pancharatnam-Berry相位调制的矢量光解复用装置，其特征在于：所述分束区域、所述几何变换区域、所述合束区域由光控取向技术在液晶基片上制备而成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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