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:
- Sanchez D.J., Oesch D.W. // Optics Express. — 2011. — v. 19. — Is. 25. — p. 25388-25396.
- Gibson G., Courtial J., Padgett M. et al. // Optics Express. — 2004. — v. 12, — Is. 22. — p. 5448 – 5456.
- Кузяков Б.А., Тихонов Р.В. // Труды III-й Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ. 2014, с. 23 — 24.
- Zhu Cr. W., She W. // Optics Express. — 2012. — V. 20, — Is. 23. — p. 25876 — 25883.
- Javurek D., Svozilik J., Perina Jr. J. // Optics Express. — 2014. — v. 22. -No. 19. — p. 23743 – 23748.
- Ma Z., Chen H., Wu K., Zhang Y., Chen Y., Yu S. // Optics Express. — 2015. — v. 23. — No. 4. — p. 5014-5026.
- 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.
- 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.
- Kleemann B.H., Seesselberg M., Ruoff J. Design concepts for broadband high-efficiency DOEs. // J. Eur. Opt. Soc. – 2008. – v. 3. — p. 08015.
- 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.[schema type=»book» name=»НОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ МОДЫ ОАМ ФОТОНОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ» description=»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.» author=»Кузяков Борис Алексеевич, Тихонов Роман Валерьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-21″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_25.07.15_07(16)» ebook=»yes» ]