25 Июл

НОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ МОДЫ ОАМ ФОТОНОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

В    наше   время   для   реализации   оптической    связи   между       разнообразными объектами, в ряде случаев, необходимы комбинированные оптические  системы (КОТС). Они могут  содержать  [1-3]     несколько   сегментов      волоконно-оптических линий   связи   (ВОЛС)    и атмосферных открытых линий связи (АОЛС).

Относительную   устойчивость  оптического телекоммуникационного   канала,   можно   повысить на  основе   метода  коррекции   фазы    (МКФ), при использовании орбитальных угловых моментов фотонов (ОАМ) [1, 2]. Среди методов создания ОАМ  можно выделить несколько наиболее эффективных.

В МКФ с ОАМ используется поток фотонов с определенной модой углового орбитального момента, в приемном модуле выбираются   фотоны   с   соответствующей   модой   ОАМ,   что  позволяет   реализовать корректировку системы телекоммуникации. Для реализации  методики  с использованием мод ОАМ могут  применяться несколько вариантов  схем.   Например,   в   работе [2]   в   схеме   формирования   лазерного пучка используются отражательные голограммы или дифракционные решетки на входе и выходе оптической системы.

На  рис. 1  (черный  цвет — экспериментальные  данные, белый – расчетные)  наглядно представлен вариант зависимости интенсивности пучка от распределения мод ОАМ  (параметр  l). Например,  видно (рис. 1), что  при  θ = 0,6 (θ – нормированный угловой  сектор  полной  расходимости   лазерного  пучка)   контраст   между   первыми ближайшими модами  ОАМ превышает 0,9,

при  θ  = 0,8,   этот контраст оказывается порядка 0,3.  При  еще больших значениях θ  = 1,0,  значимый  контраст реализуется  для  отдельных мод:  -1, – 0  и  2, — 3.

Наряду с этим,  рассматриваются варианты выбора ОАМ с использованием внутренней конической дифракции. Находит так же применение магнитооптический эффект для настройки ОАМ  потока  фотонов.

Рисунок 1.  Пример  распределения  потоков  фотонов  с  модами  УОМ

Электрический   контроль    ОАМ   при   фокусировке лазерного пучка  на  безосный  кристалл  предложен  в работе [4]. В методе электроконтроля  состояний УОМ используют   четвертьволновые пластины и одноосный кристалл стронций-барий-ниобат (СБН), к которому прикладывается электрическое напряжение E* [4]. Возможности метода  хорошо иллюстрирует рис. 2, на котором приведена  зависимость   состояний  ОАМ, от приложенного напряжения на кристалл СБН, при размере сфокусированного Бессель — Гауссового   пучка    w0   =  10 мкм. Из  рис. 2 видно, что в рассматриваемой оптической системе могут формироваться разные состояния ОАМ: от 0 до 1,8  при изменении напряжения  Е0  в диапазоне:  -1,6883  —  + 4 кВ/мм.

В одном из методов генерации  выбранных состояний  ОАМ, используют нелинейное кольцевое кварцевое волокно и параметрическую конверсию «вниз»  [5]. При создании  термической  нелинейности в  кольцевом волокне с длиной  ~  1 м, реализована  высокая квантовая эффективность процесса.

В работе [6] приведены результаты многомодовой  интерференции между Гауссовым пучком и пучком  с модами ОАМ различного порядка в диэлектрическом квадратном  волноводе. При    многомодовой  интерференции  в волноводе   реализуется эффект самоизображения  выбранных мод.   В некотором входном сечении волновода поле моды можно представить в виде:   f0 (x, y) = fs (x) fA (y) – симметричная вдоль горизонтальной оси и антисимметрична по вертикальной оси;  а для поля четной моды:   fе (x, y) = fs (у) fA (х)  эти направления симметрии изменяются.

Рисунок 2.  Зависимость   состояний  ОАМ от  E*    

После прохождения вдоль (по горизонтальной оси) волновода расстояния  L=3Lc /2  от входного сечения волновода, при условии многомодовой интерференции, распределения полей мод изменяются и принимают следующий вид:

        fA1/3(x, 3Lc/2)=(1/C)[fA1/3(x)exp(jπ/2)+fA1/3(W-x)],                            (1)

                  fs1/3(x, 3Lc/2)=(1/C)[fs1/3(x)exp(jπ/2)+fs1/3(W-x)exp(jπ)]                     (2)

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что фазы сигналов значительно отличаются. Т.е. на расстоянии      L=3Lc /2      от входного сечения волновода установились выбранные моды ОАМ.   При этом в этом методе, вариации длины волновода позволяют реализовывать в выходном сечении выбранные моды ОАМ.

В работе [7] предложено использовать субволновые решетки на основе диэлектрических структур в виде массива нано – волосков. Они позволяют успешно генерировать ОАМ состояния на длине волны λ0 = 1.55 мкм с высокой эффективностью дифракции. На рис. 3 (а) показан выходной вихревой луч топологического заряда   m = + 1, сгенерированный в массиве нано – волосков. На вход массива, перпендикулярно его подложке, поступает  Гауссов пучок с обычным пространственным распределением интенсивности. На этом же рис. 3, показаны профили интенсивности в дальней зоне  и фазы вихревого пучка. Вектор Пойнтинга, генерируемого пучка,  обертывается вокруг оси распространения,  создавая спиральную волну с нулем интенсивности в центре.

Рисунок 3. а) Вихревой луч топологического заряда m = + 1; (б) “бублик” — образный профиль интенсивности, (с) фазовый профиль луча, сгенерированного в  нано-волосковой  структуре

Применение массива нано-волосков для формирования оптического элемента при транспортировке  цилиндрического пучка был предложено в [8]. Для изготовления этих вихревых элементов, использовались способы конформного осаждения оксидов металлов и травления для достижения высокой плотности решеток в кварце.

Фаза передаваемого  луча, проходящего через нано-структуру волосков, зависит от их ширины и пространственной плотности. Причем фаза модулируется в двух разных областях этой структуры (выше и ниже подложки), обеспечивая тем самым дополнительную степень свободы в реализации  [8, 9].  Кроме того, была создана градуированная система показателя преломления в пределах каждого нано-волоска субмикронных размеров, что способствует ослаблению требований на геометрические соотношения элементов устройства и одновременно обеспечивает высокую эффективность передачи.

Таким образом, в  рассмотренных методах могут быть реализованы различные состояния ОАМ для многообразных оптических комбинированных линий телекоммуникаций. Можно отметить, что относительная устойчивость  телекоммуникационного канала, содержащего сегменты ВОЛС и АОЛС, связанная с дисперсией флуктуации интенсивности на оси лазерного пучка в турбулентной атмосфере, возрастает при использовании методов коррекции.

Проведенный анализ показал, что  метод  коррекции   фазы    (МКФ), при использовании  орбитальных угловых моментов фотонов (ОАМ) в схеме с отражательными дифракционными решетками,  имеет  определенные преимущества. Этот вывод подтверждается так же недавними экспериментами работы [10], в которой была реализована устойчивая оптическая связь с использованием ОАМ состояний потока фотонов на  расстоянии свыше  3 км  в г. Вена.

Список литературы:

  1. Sanchez D.J., Oesch D.W. // Optics Express. — 2011. — v. 19. — Is. 25. — p. 25388-25396.
  1. Gibson G., Courtial J., Padgett M. et al. // Optics Express. — 2004. — v. 12, — Is. 22. — p. 5448 – 5456.
  1. Кузяков Б.А., Тихонов Р.В. // Труды III-й Всероссийской конференции  по фотонике  и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ. 2014, с. 23 — 24.
  1. Zhu Cr. W., She W. // Optics Express. — 2012. — V. 20, — Is. 23. — p. 25876 — 25883.
  1. Javurek D., Svozilik J., Perina Jr. J. // Optics Express. — 2014. — v. 22. -No. 19. — p. 23743 – 23748.
  1. Ma Z., Chen H., Wu K., Zhang Y., Chen Y., Yu S. // Optics Express. — 2015. — v. 23. — No. 4. — p. 5014-5026.
  2. Srimathi I.R., Li Y.,  Delaney W.F.,  Johnson E.G. Subwavelength grating based metal-oxide nano-hair structures for optical vortex generation. // Opt. Express. – 2015. — v. 23, — N.15. — p. 19056 — 19065.
  1. Srimathi I.R., Pung A.J., Li Y.,  Rumpf R.C., Johnson E.G. Fabrication of metal-oxide nano-hairs for effective index optical elements. //Opt. Express. — 2013. – 21. – No.16.  –  p.  18733 – 18741.
  2. Kleemann B.H., Seesselberg M.,  Ruoff J. Design concepts for broadband high-efficiency DOEs. // J. Eur. Opt. Soc. – 2008. – v. 3. — p. 08015.
  1. Krenn  M., Fickler R.,  Fink M.,  Handsteiner J., Malik M., Scheidl T.,  Ursin R. A.Z., arXiv:1402.2602;   Ученые впервые осуществили передачу информации на большое расстояние при помощи «закрученного» света. //Лазер — Информ. – 2014. — № 22 (541). — с. 12.
    НОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ МОДЫ ОАМ ФОТОНОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
    В работе рассматриваются методы реализации разнообразных состояний орбитальных угловых моментов (ОАМ) фотонов. В методе коррекции фазы (МКФ) с ОАМ используется поток фотонов с определенной модой углового орбитального момента, в приемном модуле выбираются фотоны с соответствующей модой ОАМ, что позволяет реализовать корректировку системы телекоммуникации. Методика с использованием одноосного кристалла, к которому прикладывается электрическое напряжение, позволяет создавать и выделять несколько состояний ОАМ. Приведен так же метод использования субволновой решетки на основе диэлектрических структур в виде массива нано – волосков. Проведен анализ нескольких методов реализации состояний ОАМ фотонов. Показано, что метод МКФ, при использовании ОАМ, имеет определенные преимущества.
    Written by: Кузяков Борис Алексеевич, Тихонов Роман Валерьевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕАТЕРИНА
    Date Published: 02/21/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_25.07.15_07(16)
    Available in: Ebook