Поляризационная и топологическая модовая дисперсия оптических вихрей в циркулярных оптических волокнах
Баршак Е.В., Яворский М.А., Викулин Д.В., Лапин Б.П., Воляр А.В., Алексеев К.Н.

Физико-технический институт ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», Симферополь, Россия

Аннотация:
В статье впервые исследована проблема межмодовой дисперсии внутри группы оптических вихрей с азимутальным числом, которое больше или равно 1, в циркулярных оптических волокнах. Установлено, что дисперсия между оптическими вихрями с топологическим зарядом ± 1 отсутствует, а между оптическими вихрями с топологическим зарядом больше 1 имеет место как стандартная поляризационная, так и дисперсия принципиально нового типа – топологическая модовая дисперсия. Численно исследована зависимость дисперсии оптических вихрей от длины волны излучения при различных параметрах для волокон с градиентным и ступенчатым профилем показателя преломления. Установлена возможность реализации режима нулевой топологической и поляризационной дисперсии оптических вихрей в волокнах со ступенчатым профилем.

Ключевые слова:
оптические вихри, поляризационная модовая дисперсия, топологическая модовая дисперсия, оптические волокна.

Цитирование:
Баршак, Е.В.
Поляризационная и топологическая модовая дисперсия оптических вихрей в циркулярных оптических волокнах / Е.В. Баршак, М.А. Яворский, Д.В. Викулин, Б.П. Лапин, А.В. Воляр, К.Н. Алексеев // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 1. – С. 25-34. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-25-34.

Литература:

  1. Soskin, M. Singular optics / M. Soskin, M. Vasnetsov. – In: Progress in optics / ed. by E. Wolf. – Elsevier Science B.V., 2001. – Chapter 4. – P. 219-276. – DOI: 10.1016/S0079-6638(01)80018-4.
  2. Yao, A.M. Orbital angular momentum: origins, behavior and applications / A.M. Yao, M.J. Padgett // Advances in Optics and Photonics. – 2011. – Vol. 3, Issue 2. – P. 161-204. – DOI: 10.1364/AOP.3.000161.
  3. Willner, A.E. Optical communications using orbital angular momentum beams / A.E. Willner, H. Huang, Y. Yan, Y. Ren, N. Ahmed, G. Xie, C. Bao, L. Li, Y. Cao, Z. Zhao, J. Wang, M.P.J. Lavery, M. Tur, S. Ramachandran, A.F. Molisch, N. Ashrafi, S. Ashrafi // Advances in Optics and Photonics. – 2015. – Vol. 7, Issue 1. – P. 66-106. – DOI: 10.1364/AOP.7.000066.
  4. Padgett, M.J. Orbital angular momentum 25 years on / M.J. Padgett // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 10. – P. 11265-11274. – DOI: 10.1364/OE.25.011265.
  5. Franke-Arnold, S. Uncertainty principle for angular position and angular momentum / S. Franke-Arnold, S. Barnett, E. Yao, J. Leach, J. Courtial, M. Padgett // New Journal of Physics. – 2004. – Vol. 6. – 103. – DOI: 10.1088/1367-2630/6/1/103.
  6. Alexeyev, C. Tunnelling of orbital angular momentum in parallel optical waveguides / C. Alexeyev, N.A. Boklag, T.A. Fadeyeva, M. Yavorsky // Journal of Optics. – 2011. – Vol. 13, Issue 6. – 064012. – DOI: 10.1088/2040-8978/13/6/064012.
  7. Molina-Terriza, G. Management of the angular momentum of light: preparation of photons in multidimensional vector states of angular momentum / G. Molina-Terriza, J.P. Torres, L. Torner // Physical Review Letters. – 2002. – Vol. 88, Issue 1. – 013601. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.88.013601.
  8. Gibson, G. Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum / G. Gibson, J. Courtial, M. Padgett, M. Vasnetsov, V. Pas'ko, S. Barnett, S. Franke-Arnold // Optics Express. – 2004. – Vol. 12, Issue 22. – P. 5448-5456. – DOI: 10.1364/OPEX.12.005448.
  9. Bouchal, Z. Mixed vortex states of light as information carriers / Z. Bouchal, R. Celechovsky // New Journal of Physics. – 2004. – Vol. 6. – 131. – DOI: 10.1088/1367-2630/6/1/131.
  10. Wang, J. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing / J. Wang, J.-Y. Yang, I. M. Fazal, N. Ahmed, Y. Yan, H. Huang, Y. Ren, Y. Yue, S. Dolinar, M. Tur, A.E. Willner // Nature Photonics. – 2012. – Vol. 6. – P. 488-496. – DOI: 10.1038/nphoton.2012.138.
  11. Yan, Y. High-capacity millimetre-wave communications with orbital angular momentum multiplexing / Y. Yan, G. Xie, M.P.J. Lavery, H. Huang, N. Ahmed, Ch. Bao, Y. Ren, Y. Cao, L. Li, Z. Zhao, A.F. Molisch, M. Tur, M.J. Padgett, A.E. Willner // Nature Communications. – 2014. – Vol. 5. – 4876. – DOI: 10.1038/ncomms5876.
  12. Tamburini, F. Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity: first experimental test / F. Tamburini, E. Mari, A. Sponselli, B. Thide, A. Bianchini, F. Romanato // New Journal of Physics. – 2012. – Vol. 14. – 033001. – DOI: 10.1088/1367-2630/14/3/033001.
  13. Bouchal, Z. Selective excitation of vortex fibre modes using a spatial light modulator / Z. Bouchal, O. Haderka, R. Celechovský // New Journal of Physics. – 2005. – Vol. 7, Issue 1. – 125. – DOI: 10.1088/1367-2630/7/1/125.
  14. Ung, B. Few-mode fiber with inverse-parabolic gradedindex profile for transmission of OAM-carrying modes / B. Ung, P. Vaity, L. Wang, Y. Messaddeq, L.A. Rusch, S. LaRochelle // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 15. – P. 18044-18055. – DOI: 10.1364/OE.22.018044.
  15. Ramachandran, S. Generation and propagation of radially polarized beams in optical fibers / S. Ramachandran, P. Kristensen, M.F. Yan // Optics Letters. – 2009. – Vol. 34, Issue 16. – P. 2525-2527. – DOI: 10.1364/OL.34.002525.
  16. Karpeev, S.V. Experimental excitation and detection of angular harmonics in a step-index optical fiber / S.V. Karpeev, S.N. Khonina // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). – 2007. – Vol. 16(4). – P. 295-300. – DOI: 10.3103/S1060992X07040133.
  17. Любопытов, В.С. Математическая модель детектирования параметров распространения мод в оптическом волокне при маломодовом режиме для адаптивной оптической компенсации смешения мод / В.С. Любопытов, А.З. Тлявлин, А.Х. Султанов, В.Х. Багманов, С.Н. Хонина, С.В. Карпеев, Н.Л. Казанский // Компьютерная оптика. – 2013. – Т. 37, № 3. – С. 352-359.
  18. Malik, M. Influence of atmospheric turbulence on optical communications using orbital angular momentum for encoding / M. Malik, M. O'Sullivan, B. Rodenburg, M. Mirhosseini, J. Leach, M.P.J. Lavery, M.J. Padgett, R.W. Boyd // Optics Express. – 2012. – Vol. 20, Issue 12. – P. 13195-13200. – DOI: 10.1364/OE.20.013195.
  19. Bozinovic, N. Terabit-scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers / N. Bozinovic, Y. Yue, Y. Ren, M. Tur, P. Kristensen, H. Huang, A.E. Willner, S. Ramachandran // Science. – 2013. – Vol. 340, Issue 6140. – P. 1545-1548. – DOI: 10.1126/science.1237861.
  20. Bozinovic, N. Control of orbital angular momentum of light with optical fibers / N. Bozinovic, S. Golowich, P. Kristensen, S. Ramachandran // Optics Letters. – 2012. – Vol. 37, Issue 13. – P. 2451-2453. – DOI: 10.1364/OL.37.002451.
  21. Alexeyev, C.N. Are optical vortices robust in twisted fibres? / C.N. Alexeyev // Journal of Optics. – 2012. – Vol. 14, Issue 8. – 085702. – DOI: 10.1088/2040-8978/14/8/085702.
  22. Barshak, E.V. Twisted anisotropic fibers for robust orbital-angular-momentum-based information transmission / E.V. Barshak, C.N. Alexeyev, B.P. Lapin, M.A. Yavorsky // Physical Review A. – 2015. – Vol. 91, Issue 3. – 033833. – DOI: 10.1103/PhysRevA.91.033833.
  23. Alexeyev, C.N. Fiber optical vortices / C.N. Alexeyev, A.V. Volyar, M.A. Yavorsky. – In: Lasers, optics and electro-optics research trends / ed. by L.I. Chen. – New York: Nova Publishers, 2007. – Chapter 5. – P. 131-223.
  24. Liberman, V.S. Spin-orbit interaction of a photon in an inhomogeneous medium / V.S. Liberman, Y.B. Zel'dovich, // Physical Review A. – 1992. – Vol. 46, Issue 8. – P. 5199-5207. – DOI: 10.1103/PhysRevA.46.5199.
  25. Снайдер, А. Теория оптических волноводов / А. Снайдер, Дж. Лав. – М.: Радио и связь, 1987. – 656 с.
  26. Alexeyev, C.N. Transformation of optical vortices in elliptical and anisotropic optical fibres / C.N. Alexeyev, A.V. Volyar, M.A. Yavorsky // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2007. – Vol. 9, Issue 4. – P. 387-394. – DOI: 10.1088/1464-4258/9/4/013.
  27. Alexeyev, C.N. Vortex-preserving weakly guiding anisotropic twisted fibres / C.N. Alexeyev, A.V. Volyar, M.A. Yavorsky // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2004. – Vol. 6, Issue 5. – P. S162-S165. – DOI: 10.1088/1464-4258/6/5/002.
  28. Alexeyev, C.N. Optical vortices and the higher order modes of twisted strongly elliptical optical fibres / C.N. Alexeyev, M.A. Yavorsky // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2004. – Vol. 6, Issue 9. – P. 824-832. – DOI: 10.1088/1464-4258/6/9/002.
  29. Barlow, A.J. Birefringence and polarization mode-dispersion in spun single-mode fibers / A.J. Barlow, J.J. Ramskov-Hansen, D.N. Payne // Applied Optics. – 1981. – Vol. 20, Issue 17. – P. 2962-2968. – DOI: 10.1364/AO.20.002962.
  30. Chen, X. Properties of polarization evolution in spun fibers / X. Chen, T.L. Hunt, M.-J. Li, D.A. Nolan // Optics Letters. – 2003. – Vol. 28, Issue 21. – P. 2028-2030. –
  31. Wang, M. Analytical theory for polarization mode dispersion of spun and twisted fiber / M. Wang, T. Li, S. Jian // Optics Express. – 2003. – Vol. 11, Issue 19. – P. 2403-2410. – DOI: 10.1364/OE.11.002403.
  32. Li, M.-J. Effects of residual stress on polarization mode dispersion of fibers made with different types of spinning / M.-J. Li, X. Chen, D.A. Nolan // Optics Letters. – 2004. – Vol. 29, Issue 5. – P. 448-450. – DOI: 10.1364/OL.29.000448.
  33. Fujii, Y. Polarization coupling in twisted elliptical optical fiber / Y. Fujii, K. Sano // Applied Optics. – 1980. – Vol. 19, Issue 15. – P. 2602-2605. – DOI: 10.1364/AO.19.002602.
  34. Воляр, А.В. Оптические вихри в маломодовых волокнах. II. Спин-орбитальное взаимодействие / А.В. Воляр, В.З. Жилайтис, В.Г. Шведов // Оптика и спектроскопия. – 1999. – Т. 86, № 4. – С. 664-670.
  35. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – М.: Наука, 1973. – 720 с.
  36. Fleming, J.W. Dispersion in GeO2–SiO2 glasses / J.W. Fleming // Applied Optics. – 1984. – Vol. 23, Issue 24. – P. 4486-4493. – DOI: 10.1364/AO.23.004486.
  37. Huynh, T.L. MECSE-10-2004 Dispersion in photonic systems. Part 1: Fibre design for dispersion compensation and raman amplification / T.L. Huynh, L.N. Binh // Technical Report MECSE. – 2004. – 94 p.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20