面向短距离光互连的光纤旋涡模式产生及调控研究

Space-division-multiplexing based technology is a promising solution to meet the large capacity transmission density demand of short reach optical interconnection in future globe data centers (GDC) and high-performance-computing (HPC) , and optical vortex (OV) mode multiplexing is one of the best options. Based on our previous work, this project aims to address key issues such as the efficient generation of high-order and multi modes OV mode in fiber-optic and the mode properties of the OV mode in the mode transmission process with fiber disturbances. Exploring an efficient method for generating high-order OV mode and an approach for multi OV modes excitations and establishing a physical model that generates excitations for generating high-order OV mode and multi OV modes are fundamental aims in this project. The dependence of the angular phase gradient of the produced OV modes and the variation of refractive index modulation in azimuthal direction of the optical fiber, and the phase matching conditions of the wavefront of the transformed mode and the fiber OV mode will be investigated. Through the design of the fiber long period gratings with the refractive index modulation changes in azimuthal direction and fiber mode excitation couplers with optical transformation using space refractive index modulation to realize the convenient and effective generation of high-order and multi OV modes. This project will also reveals the influence of disturbance factors such as fiber bending and torsion on the transmission of fiber OV mode, and seeks a new method to improve the transmission stability of the OV modes. In this project, the research on the generation of control mechanism, device realization, and control technology through the study of optical fiber OV mode can lay an important application foundation for realizing the application of optical fiber OV mode multiplexing in large-capacity-density short-distance optical interconnect systems.

光的空分复用技术是满足未来大型数据中心和超算中心等对大容量密度短距离光互连迫切需求的潜在技术方案，而光学旋涡(OV)模式复用是其优选方案之一。本项目在前期工作基础上，拟针对光纤OV模式复用中高阶和多阶模式高效产生以及模式传输过程中受扰动影响等关键问题，探索研究光纤高阶和多阶OV模式激发产生的有效方法，建立高阶和多阶OV模式激发产生的物理模型，探讨产生OV模式角向相位梯度与光纤角向变化空间折射率调制的依赖关系、空间变换模式波前相位与光纤OV模式的相位匹配条件，通过设计折射率调制角向变化长周期光栅和折射率调控光学变换光纤激发耦合器两种方案来实现光纤中高阶和多阶OV模式的便捷、高效产生及调控；揭示光纤弯曲扭转等扰动对光纤OV模式传输的影响规律，得到一套提高模式传输稳定性的新方法。项目对光纤OV模式产生调控机理、实现器件和调控技术的研究，可为光纤OV模式复用在短距光互联系统中的应用奠定重要基础。

当下面对大型数据中心和超算中心中单模光纤互连的容量密度瓶颈，空分复用光纤通信技术是解决大容量密度短距离光互连迫切需求的潜在技术方案，其中，光纤旋涡(OV)模式复用是其优选方案之一，而高阶、多阶独立OV模式的光纤兼容性高效产生和传输稳定性都是亟待解决的问题。. 面对光纤中高阶OV模式的产生和多阶独立OV模式的高效激发等问题，本项目从光纤OV模式的纵向耦合产生、横向相位匹配激发产生和激光产生及放大方面进行了深入研究并取得一定的成果。光纤纵向模式耦合产生OV方面，建立了激发产生高阶OV模式的物理模型，在阶跃少模光纤中实现了0阶到3阶OV模式~99%的耦合和2阶OV模式在17个多波长处纯度超过97%的有效产生；在环芯少模光纤中, 通过模式匹配滤模器解决了模式在线监测问题，进而通过光栅刻写实现了1、2、3阶OV模式超过96%效率的产生。光纤横向相位匹配激发产生多阶OV模式方面，通过在几何变换实现了6路OV模式的同轴复用产生，损耗低于1.6dB；基于光学衍射神经网络优化算法，通过多平面光学变换实现16个空间OV模式的复用产生，在C+L波段的插入损耗和串扰平均分别为~6dB和~-24dB; 通过相位匹配光纤耦合实现了光纤中1-8阶OV模式的独立和多阶的同时高效激发。光纤OV模式调控方面，通过光纤弯曲扭转控制实现了多个OV模式的相互切换；通过在光纤激光腔内插入光栅耦合的方法实现了2、3阶OV模式激光的有效输出；设计并拉制掺镱环芯光纤，实现1-5阶OV模式的激发产生和有效放大。. 实验结果证实了光纤中高阶OV模式的产生和多阶模式的同时独立激发有效性，对超大容量短距离OV模式复用光互连的高密度实现提供基础，具有非常强的科学意义和应用价值。项目支持或部分支持申请发明专利15项、授权5项、公开发表学术论文27篇、其中中科院二区及以上级论文18篇。