多芯光纤中空间结构光场的多参量调控研究

Multi-core fibers (MCFs) exhibit unique advantages in increasing optical fiber communication capacity and making photonic integrated devices. Recently, multiple parameters modulation of light fields in MCFs has become a breakthrough to further increase the fiber communication capacity. In this project, we combined study the characteristics of spatially structured light fields in MCFs, discuss the evolution and control of light field with complex phase and polarization structures by the modulation of spatial structure, reveal new effects and new phenomena during the interaction of MCFs and light fields, and further explore new methods to modulate multiple parameters of light fields. The main contents of this project are as followed: ① The coupling effect between the light fields and MCFs; ② The modulation mechanisms and realization methods of angular momentum in fibers are explored; ③ The coupling effects between light fields and surface plasmon polariton (SPP) in metal filled MCFs. The key scientific problems to be solved are: stimulating and controlling photon states in MCFs, modulation mechanisms and implementation methods for multiple parameters of light fields in MCFs. Our research results not only provide new ideas for manipulating light propagation behavior and controlling photon states, but also help the ultra-large capacity optical fiber and the new photonic integrated device design, and provide theoretical and experimental foundation for expand the research of spatially structured light fields and explore its new applications.

多芯光纤在增大光纤通信容量及制作光纤光子集成器件方面展现了独特的优势。最近，多芯光纤中光场多参量的调控技术已成为增大光纤通信容量的新的突破口之一。本项目旨在将空间结构光场引入到多芯光纤中，探讨多芯光纤的空间结构和耦合效应对复杂相位和偏振态分布光场产生的影响和调控规律，揭示空间结构光场与多芯结构相互作用的新效应和新现象，探索光场多参量调控的新方法和新手段。拟开展的主要研究有：①空间结构光场与多芯光纤的耦合效应；②多芯光纤中的光场角动量调控机理与实现方法；③金属填充的多芯光纤中光场与表面等离激元的耦合效应。拟解决的关键科学问题是：多芯光纤中量子态的激发与调控，光场多参量联合调控机理与实现方法。研究成果不仅为操控光传播行为和调控光量子态提供新的思路，还有助于超大容量通信光纤和新型光子集成器件的设计，为拓展空间结构光场研究范围并探索其新应用提供理论和实验基础。

空间结构光场因其独特的偏振态、相位和振幅空间分布而具有诸多新颖的光学特性，探索这类光场的高效简便产生方法，是研究这类光场的基本特性并拓展其应用的关键。本项目从光纤中的模式耦合特性出发，分析了多种光纤结构及其本征模式的空间结构特性，建立了光场与光纤结构的相互作用模型，探讨了多芯光纤中光场多参量的调控机理与实现方法。所开展的研究工作及取得进展如下：.1、光纤中的模式耦合及转化规律：(1)研究了光纤中的标量、矢量模式特性，构建了光纤中的模式耦合及转化模型。基于此，理论分析和数值计算了多种光纤结构中（包括长周期光纤光栅、椭圆芯和空芯扭结光纤）的模式色散特性和损耗特性；(2)提出了一种空芯扭结光纤结构，对比了线偏振、左、右旋圆偏振光激励条件下的模式偏振特性；(3)搭建了实验装置，成功制备了多种扭结光纤；(4)提出了两种少模光纤中柱对称矢量光束的产生方法，制备了径向和角向偏振特性模式输出的超短脉冲激光器；(5)理论分析了光纤倏逝场的横向自旋角动量密度分布规律和调控方法。.2、多芯光纤中超模理论及模式远场调控：(1)提出了一种特殊的多芯光子晶体光纤结构，利用该结构光纤中的类一阶模式产生了具有柱矢量特性的光束；(2)分析了具有多个椭圆芯光纤中的模场的偏振及相位分布特性，通过控制椭圆芯的空间分布得到了具有柱对称分布特性的矢量光场；(3)通过在光纤中心引入金纳米线，利用金属纳米线的偏振响应特性，获得了具有较高纯度的柱矢量涡旋光束。上述两点结果为基于光纤的空间结构光场产生与调控、开展空间结构光场的应用提供了理论指导和实现方法。.3、空间结构光场的多参量调控及演化特性：(1)提出并实验产生了完美矢量涡旋光束；(2)提出并实验研究了偏振态纵向调制空间结构光场，(3)理论和实验研究了矢量涡旋光场的自旋相关分离、角向挡板调制的角向偏振光束的聚焦特性、具有多个偏振奇点的矢量光束紧聚焦焦场的特性。