光电技巧商讨所在光导纤维激光的连带组束和传

日期:2019-07-04编辑作者:ca88手机版登录

日前,中国科学院光电技术研究所自适应光学重点实验室李新阳、耿超课题组在相干偏振合成技术研究中取得新进展:提出了基于光纤器件的相干偏振合成技术,分别采用相位控制和偏振控制的方法实现了高效的光纤内相干偏振合成。该技术基于全保偏光纤器件,无需考虑空间误差的影响,系统稳定性高、可靠性好、易于与其他光纤器件相结合,在基于相控阵的空间相干光通信系统中有很大的潜在应用价值。相关结果以杨燕为第一作者分别发表于近期的Applied OpticsIEEE Photonics Technology Letters

日前,中国科学院光电技术研究所自适应光学重点实验室李新阳、耿超课题组在光纤激光相控阵技术研究方面取得新进展:以双向收发的自适应光纤准直器为基础模块,构建了整体口径100 mm的七单元激光收发阵列,于湍流环境下实现了光纤激光的相干组束和高效传输控制。

近年来,等离子体激元的研究将微纳光子设计带到了前所未有的高度。表面等离子体场的矢量特征使得金属纳米结构可以在非常薄的尺度下进行光场的偏振控制成为可能。许多微小型偏振器件已经通过金属纳米结构研制成功。然而,这些器件大多数功能都相对简单,通常只能完成单一的或非常有限的偏振调控。这大大制约了这类光子器件的信息容量和处理能力。

为了缓解大气湍流对相干光通信的影响,目前主要采用两种技术手段,分别是“大口径望远镜 单孔径自适应光学技术”和“相控阵技术”。相较于第一种技术,相控阵技术具有望远镜尺寸小、成本低、可靠性高等优点。在基于相控阵的空间相干光通信系统中,接收光束被接收阵列分成多束。因此,如何将多束携带通信信号的子光束高效地合成至一束激光十分重要。针对这一问题,该课题组提出了基于光纤器件的相干偏振合成技术。两束偏振态互相垂直的线偏振光可利用光纤偏振合束器合为一束光,由于输入光束相位差的变化,合成光束为任意偏振态。为了控制合成光束为线偏振光,以进行下一级合成或用于通信信号的解调,该课题组分别提出了相位控制和偏振控制两种方法,并进行了理论分析及实验验证。结果表明,这两种方法均能实现高效的相干偏振合成,将多束线偏振光高效地合成至一根保偏光纤中,并输出线偏振光。

该研究中,科研人员通过对信标光的分孔径自适应耦合接收,实时校正各单元孔径发射激光传输路径上的波前倾斜像差;将以上方法与光纤激光阵列的主动锁相控制结合,实现了室内模拟动态湍流下七单元激光束于远场的相干合成。实验中所用的核心像差校正器件——自适应光纤准直器和压电光纤相位补偿器均为自适应光学重点实验室课题组自行研制,并已获得6项相关发明专利授权。相关研究成果以李枫为第一作者,发表于IEEE Photonics JournalIEEE Photonics Technology Letters

南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授和祝世宁院士指导博士生李林,通过精妙的等离激元结构设计,实现了一种高度通用的偏振产生器,它可以将单一偏振输入的光束同时转换成多种偏振态以特定的多光束输出。其基本原理是利用了两束互相正交传播的表面等离激元波的纵向分量的干涉效应来实现的。面内正交传播SPP纵向场在平面内由于其相位关系,可以在不同位置合成出不同类型面内矢量偏振态。此时,通过合适的位置的衍射单元,就能够获得满足特定偏振态的散射波前,从而实现特定偏振光的波束。李林等通过一系列实验,成功地验证了该原理的可行性。作为举例演示,他们精心设计了一种结构样品,成功实现了具有八种偏振态的多聚焦光束。其中每个焦点的偏振态都经过验证。该设计提供了一种全新的方法来达到光子偏振态的完全控制,这为光子信息处理技术开拓了新的途径。

该工作得到了国家自然科学基金、中科院创新基金和“西部之光”等项目的支持。

光纤激光相控阵可通过合成单元数量的扩展实现对激光发散角的压缩;同时,在体积、重量和功耗等方面优于经典的整体式单孔径激光发射技术。已有的理论和实验结果表明,以自适应光纤准直器为基础模块的光纤激光相控阵具有补偿大气湍流效应的能力。因此,激光相控阵技术在激光大气传输、空间激光通信、激光雷达等领域有着广泛的应用前景。本研究成果的意义在于,首次实现了光纤激光相控阵的共孔径高效双向收发,结合本课题组前期在基于光纤器件的相干偏振合成研究方面取得的研究成果,为激光相控阵技术的实际应用提供了重要参考。

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该工作得到了国家自然科学基金、中科院创新基金(CXJJ-15S096)和中科院西部青年学者等项目的支持。

图一、偏振重构产生过程的示意图。插图是SPP纵场的偏振状态与入射的RCP光场分布。针对特殊光束的散射单元设计:平面波散射和聚焦光束散射。

图1 相干偏振合成原理图相位控制闭环偏振控制闭环。PBC为光纤偏振合束器,PC为光纤相位补偿器,DPC为偏振控制器

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图1七单元光纤激光的相干组束和传输控制实验原理图

图二、八偏振产生器的样品SEM照片。所获得八种偏振状态的聚焦点。该八种偏振态对于庞加莱球上的位置。八种偏振态分析的实验结果与理论预测效果的对比。针对其中u和v线对应偏振态的实验测试结果。

图2 基于偏振控制的3路相干偏振合成实验结果

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本工作近期发表于Nature子刊Light: Science & Applications 4, e330 。该刊物目前影响因子为14.6,居86种光学类刊物的第二位(仅次于Nature Photonics)。刊物编辑就此成果还做了题为“Plasmonics: highly versatile polarizer”的summary新闻报道。该项研究得到科技部重大研究计划,国家自然科学优青项目、面上项目,南京大学登峰人才计划,南京大学博士生提升计划,以及江苏省优势学科的支持。

图2相控阵分孔径在倾斜控制开、闭环下的光纤耦合接收效率实验结果

(现代工程与应用科学学院 李涛 科学技术处)

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图3七单元光纤激光相干组束的传输控制实验结果

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