高功率高純度遠場矢量光束特性研究

賀 君,周 峰,梁 瑋,馮海成,劉 靖

(湖南理工學院 信息科學與工程學院,湖南 岳陽 414006)

矢量光束具有偏振奇點和偏振渦旋結構,光強呈環狀分布,不同模式間的矢量光束相互正交,因而在大容量自由空間光通信中具有很大的應用潛力[1～4].光在自由空間中傳輸,因衍射效應使得光斑變大,光強減小,造成能量彌散,限制了自由空間光通信的工作距離.因此,如何提高光束的接收功率對提升自由空間光通信的通信質量具有重要意義.除了增大接收孔徑和采用波前校正技術以外,調控載波光場構建陣列光束也能有效提高接收光功率.

目前陣列光束已經得到廣泛研究,相比于同等條件下的單光束,陣列光束在自由空間中傳輸具有較小的發散角、較小的光強閃爍和較大的接收光功率等優勢.子光束為高斯光束的高斯陣列光束經自由空間傳輸相干合成的遠場光束的桶中功率較單光束有明顯提高,且不同的幾何分布對高斯陣列光束的桶中功率有重要影響[5];19 束激光束陣列分布經自由空間傳輸合成的遠場激光束的最大功率較單光束有明顯提高,有助于在保持高亮度的情況下傳輸更遠的距離[6];子光束為高斯平頂光束組成的高階平頂陣列高斯光束,其子光束數量增加,相干合成效果越好,光強越大[7].在結構陣列光束方面,徑向陣列渦旋光束在大氣中傳輸,其相對束寬比單渦旋光束更小[8].然而大部分研究僅分析了陣列渦旋光束相干合成后的光功率大小情況以及光束的擴展,但未對其拓撲荷純度進行探討,對于結構光束而言,其模式純度對自由空間光通信質量有重要影響.

本文采用陣列矢量光束相干合成遠場矢量光,考察了陣列矢量光束的子光束數量、離軸距離、束腰半徑等因素對相干合成遠場矢量光束的功率與偏振渦旋模式純度的影響,對高功率高純度遠場矢量光束的傳輸特性進行了研究.

1 原理

陣列矢量光束由多個相同的子光束組成,呈環形分布,如圖1所示.

圖1 陣列矢量光束徑向分布排列方式

單個矢量光束可表示為

2 數值仿真與結果分析

采用波動光學仿真的方法,研究子光束數量、離軸距離、束腰半徑對陣列矢量光束在自由空間中傳輸的遠場光學特性的影響.實驗中,以徑向矢量光束為例,按照徑向排布構建陣列矢量光束.設定子矢量光束的拓撲荷相等,均為+1,波長λ為1550 nm,采樣點數量為512,傳輸介質為真空.

2.1 陣列矢量光束遠場相干合成

子光束為6 和8的陣列矢量光束在發射端的光斑分別如圖2(a)、(b)所示,該陣列光束按徑向等弧長排布,離軸距離設為6 cm,其子光束的光斑如圖2(c)所示,束腰半徑設定為1.5 cm.該陣列矢量光束在真空傳輸 2 km 后,因遠場子光束光斑重疊而發生干涉,其干涉圖樣如圖2(d)、(e)所示.從圖中可以看出,遠場陣列矢量光束可分為內外兩大部分,其光斑外部為能量密度較低的具有特殊花樣的光斑,該光斑分別為6瓣、8 瓣,瓣數與子光束的數目相等.而光斑內部為高能量密度的空心光束,經數值仿真測量得到內部空心光束的半徑均為2.5 cm,拓撲荷為+1,與子光束的拓撲荷值相同,其光功率約為單個子矢量光束發射光功率的0.64 倍和1.13 倍.若對單個子矢量光束傳輸同樣的距離(2 km),其拓撲荷保持+1 不變,而光斑大小明顯大于陣列光束遠場的內部空心光斑.以陣列矢量光束遠場的內部空間光斑大小接收單矢量光束的遠場,接收到的光功率僅為單個子矢量光束發射功率的3%;在單矢量光束遠場(光斑如圖2(f)所示)情況下,若要接收與6 陣列矢量光束遠場的內部空間光斑相同的光功率,則需將接收孔徑增大2.8 倍,而8 陣列矢量光束遠場的內部空間光斑光功率已大于單個矢量光束的發射功率,即使將遠場單矢量光斑完全接收也無法達到與8 陣列矢量光束遠場內部空間光斑相等的光功率.因此,陣列矢量光束在遠場能構建一個光斑尺寸小、功率大、拓撲荷與子光束相同的新矢量光斑,有助于降低自由空間矢量光通信接收機的設計難度.

圖2 N=6、8的陣列矢量光束和單矢量光束自由空間傳輸光強分布

圖3 不同傳輸距離下的陣列矢量光的接收功率和純度

遠場陣列矢量光束內部光斑的拓撲荷純度和功率至關重要,都與傳輸距離直接相關.圖3 描述了子光束為6 和8的陣列矢量光束在不同傳輸距離情況下遠場內部光斑的拓撲荷純度和功率變化趨勢,其結果表明,只有當陣列光束在自由空間傳輸一定的距離后,其內部光斑才具有較高的純度.在此,定義內部光斑純度達到90%的傳輸距離為高純度遠場矢量光束的建立距離.由圖3 可知,6 子光束和8 子光束的陣列光束的建立距離分別為1.6 km 和1.1 km,說明子光束數目越多,需要的建立距離越短.此外,6 子光束和8 子光束的陣列光束傳輸建立距離后,其遠場內部光斑功率分別為單個光束發射功率的0.55 倍和0.5 倍.遠場內部光斑的峰值功率所對應的傳輸距離都大于建立距離,且峰值功率分別為單個光束發射功率的0.67 倍和1.18 倍.在6 子光束的基礎上,僅增加的子光束,就能使遠場內部光斑功率近乎翻倍.這說明采用陣列光束的方式,能夠在建立距離后構建高功率高純度的遠場矢量光束;超過建立距離的傳輸,其陣列光束拓撲荷純度都接近于1,均為高純度矢量光束,且在子光束數量不翻倍的情況下獲得遠場矢量光束的功率翻倍,降低了系統的復雜度和成本.

2.2 離軸距離對遠場矢量光束傳輸的影響

陣列矢量光束的子光束離軸距離既影響遠場矢量光束的建立距離,又影響其光斑峰值功率.圖4 描述了不同離軸距離下的陣列矢量光束遠場光斑功率隨傳輸距離的變化,不同離軸距離下的高純度矢量光束的建立距離和峰值功率傳輸距離見表1.對于6 子光束而言,離軸距離分別為5 cm、6 cm、7 cm、8 cm、9 cm 和10 cm 時,其建立距離分別為0.95 km、1.6 km、1.8 km、1.8 km、1.9 km 和2.0 km,其光斑峰值功率分別為單個光束發射功率的0.9 倍、0.67 倍、0.5 倍、0.46 倍、0.37 倍和0.31 倍(對應的傳輸距離分別為1.7 km、2.7 km、3.0 km、3.3 km、3.5 km 和4.5 km).這說明,隨著離軸距離的增加,建立距離也增加,且光斑峰值功率減小(對應的傳輸距離增加).這是因為隨著離軸距離的增加,需要更遠的傳輸距離相干合成達到最大光斑功率,在傳輸距離增加的同時,衍射效應也越加明顯,進而導致光斑功率降低.將子光束增加至8 個,也能獲得同樣的結論,說明離軸距離的影響趨勢適應于不同子光束數量的陣列矢量光束.因此,通過調節離軸距離可以調控高功率高純度遠場矢量光束的傳輸距離,進而適應不同工作距離的自由空間矢量光通信系統.

圖4 不同離軸距離的陣列矢量光束接收功率

表1 不同離軸距離下的高純度矢量光束的建立距離和峰值功率傳輸距離

2.3 束腰半徑對遠場矢量光束傳輸的影響

子矢量光束的束腰半徑同樣能影響遠場矢量光束的特性.首先,將離軸距離固定為8 cm,考察不同子光束不同束腰半徑的陣列矢量光束的遠場特性(圖5),其建立距離和峰值功率傳輸距離見表2.對于6子光束而言,子光束束腰半徑分別為1.0 cm、1.5 cm 和2.0 cm,其建立距離分別為1.45 km、1.8 km 和1.94 km,其光斑峰值功率分別為單個光束發射功率的0.23 倍、0.46 倍和0.69 倍(對應的傳輸距離分別2.1 km、3.3 km、4.5 km).隨著子光束束腰半徑的增加,建立距離也增加,且光斑峰值功率增大(對應的傳輸距離增加).這是由于束腰半徑增大,導致發散角減小,因而需要更遠的距離才能使幾個子光束的光斑重疊,在遠場發生干涉,形成高純度的遠場矢量光斑.由于發散角小,在相同的傳輸距離下,其光斑的功率密度要高于大發散角的光束,因此子光束在光斑重疊區域,發散角小的光束能有效發生干涉,光功率大于發散角大的光束,進而使得陣列遠場內部光斑的峰值功率增大.因此,在遠距離自由空間光通信中,可以適當增加陣列矢量光束的子光束束腰半徑,以適當提高通信質量.同樣,上述結論也適用于8 子光束的陣列矢量光束.

圖5 不同束腰半徑下的陣列矢量光束接收功率

表2 不同束腰半徑下的高純度遠場矢量光的建立距離和峰值功率傳輸距離

3 結論

本文采用陣列矢量光束產生高功率高純度遠場矢量光,并研究了子光束數量、離軸距離和束腰半徑對其光場特性的影響.陣列矢量光束的遠場內部光斑具有與子光束相同的拓撲荷,且內部光斑半徑是相同功率單光束遠場半徑的左右.增加子矢量光束的數量和減小子矢量光束離軸距離都可以減小高純度遠場矢量光的建立距離,增加光斑峰值功率,且在子光束數量不翻倍的情況下獲得遠場矢量光束的功率翻倍;增大束腰半徑同樣可以提高遠場矢量光束的光斑峰值功率,但會延長高純度遠場矢量光束的建立距離.因此,適當調節陣列矢量光束的結構分布可獲得不同工作距離的高功率高純度遠場矢量光,這為自由空間矢量光通信系統提供了一種適應性較強的光源設計思路.