《Optical Fiber Technology》：3D-printed micro-nano-scale structures on fiber tip for orbital angular momentum mode conversion at 2 μm wavelength band
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两光子聚合3D打印技术制备了光纤尖端连续型和阶梯型螺旋相位板（SPP），实现了2μm波长下高效率的圆偏振光束到角动量模式（OAM）的转换。实验表明连续型SPP在OAM+1和-1模式下的转换效率分别达93.12%和93.34%，插入损耗均低于1.3dB，优于阶梯型结构。该器件为2μm波段光通信系统提供了紧凑高效的OAM模式转换方案。
作者：Ji Wanting、Halendy Monika、Huang Quandong、Cai Zongyang、Ertman S?awomir、Xu Ou、Dong Xinyong、Woliński Tomasz R.、Shum Perry Ping
中国广东省广州市广东工业大学信息工程学院先进光子技术研究所
摘要
基于双光子聚合（2PP）的三维（3D）打印技术能够实现几乎任意几何形状的纳米级器件结构制备。利用这一技术，我们在光纤尖端制备了具有拓扑电荷 l = ±1 的螺旋相位板（SPP）。研究了两种类型的SPP：连续型和阶梯型，并通过仿真和实验进行了验证。这些位于光纤尖端的微结构能够高效地将波长为2 μm的高斯光转换为轨道角动量（OAM）光束。实验结果表明，两种类型的SPP在模式转换效率和插入损耗方面存在差异。对于OAM+1模式，连续型SPP的转换效率为93.12%，插入损耗为0.69 dB；阶梯型SPP的转换效率为90.71%，插入损耗为1.20 dB。对于OAM?1模式，连续型SPP的转换效率为93.34%，插入损耗为0.793 dB；阶梯型SPP的转换效率为90.23%，插入损耗为1.25 dB。所提出的OAM模式转换器具有高集成度、高转换效率和低插入损耗等优点，展示了在2 μm波长范围内的应用潜力。
引言
现代信息技术的快速发展导致了全球数据流量的指数级增长，使得通信容量的扩展成为光通信领域最紧迫的挑战之一。作为新型信息载体，光涡旋光束由于能够通过轨道角动量（OAM）模式编码信息，因此在光通信系统中展现了巨大的应用潜力。光涡旋光束的特征是具有螺旋相位前沿，其表达式为 exp(ilθ)，其中 l 表示拓扑电荷，θ 表示从正x轴逆时针测量到给定点的方位角，以光束中心为原点。其范围是 0到 。光涡旋光束具有相位奇异性，能够产生独特的环形强度分布 [1]、[2]。值得注意的是，在自由空间传播过程中，不同拓扑电荷的OAM模式之间保持严格的正交性。这一特性使得OAM模式成为实现空间分割复用（SDM）的理想平台。原则上，每个拓扑电荷对应一个独立的正交通道，从而可以通过多模复用技术构建无限维的并行传输系统。与受限于有限天线配置的传统多输入多输出（MIMO）技术不同，OAM（解）复用可以通过调制拓扑电荷来实现单波长下的通道容量扩展。（解）复用提供了一种物理层解决方案，能够满足6G时代不断增长的数据需求。由于光涡旋光束在扩展通道容量方面的独特能力，尤其是在超越传统香农极限的维度扩展方面，它们已成为光通信领域的研究重点 [3]、[4]、[5]、[6]。除了光通信之外，光涡旋光束还广泛应用于光操控 [7]、量子信息处理 [8]、超分辨率成像 [9] 等相关领域。
光OAM模式转换技术的发展已经形成了多种多样的技术方法。主要方法包括：空间光调制器（SLM）[10]、[11]、螺旋相位板（SPP）[12]、[13]、长周期光纤光栅（LPFG）[14]、[15]、[16]、[17] 以及超表面阵列 [19]、[20]、[21]。在这些方法中，SPP因其高转换效率、宽带操作能力和成本效益而被广泛采用。然而，传统的SPP存在固有的局限性，如厘米级的大尺寸和严格的光学对准要求，这些限制了它们在紧凑型光子系统中的集成。这一瓶颈促使研究人员将研究重点转向应用于光纤尖端的微结构技术，这为微型OAM器件的开发提供了有希望的途径。2017年，Switkowski等人报道了一种全玻璃梯度折射率涡旋掩模，通过改进的堆叠-拉伸技术生成OAM光束，该掩模利用两个热匹配的玻璃纳米棒创建了梯度折射率分布，分别生成了890 nm和532 nm的OAM+1和OAM+2模式 [22]。2021年，Zhou等人提出了一种在光纤尖端集成梯度折射率扇形相位板的理论方案，通过调节分段氧化铝氮化物区域的折射率来调制相位。仿真结果显示，该结构可以在1550 nm处生成OAM+1和OAM+2模式，并具有便于集成的平面几何结构 [23]。同年，Zhang等人也提出了一种基于光纤尖端的平面相位板方案，旨在使用光子晶体穿孔技术控制折射率分布。仿真结果表明，该结构可以生成拓扑电荷 l = 1、2、3及更高阶的OAM模式 [24]。
在这种背景下，基于2PP的3D打印技术由于其在微纳制造中的高设计自由度 [25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]，已成为微光学领域的一项重要技术。2017年，Weber等人利用基于2PP的3D打印技术在单模光纤尖端制备了阶梯型SPP。在785 nm波长下，该器件成功生成了拓扑电荷 l = 1、2和3的OAM模式，展示了快速定制和直接集成的优势 [31]。2019年，Wei等人进一步利用该技术在熔融石英基底上制备了SPP。在632.8 nm波长下，该器件实现了拓扑电荷 l = ±1、±2和±3的OAM输出，插入损耗约为0.5 dB。这些结果突显了该技术在高精度、低损耗微光学制造方面的潜力 [32]。2020年，Yu等人利用基于2PP的3D打印技术在复合光纤尖端集成了一种 kinoform螺旋区带板。所制备的器件实现了超过60%的聚焦效率和超过86%的模式纯度。由于其偏振不敏感的特性和出色的聚焦性能，该集成器件在光通信和量子计算领域展现出显著的应用潜力 [33]。2024年，Chen等人通过在复合光纤尖端无缝3D打印螺旋轴锥，提出了一种可调且完全封闭的贝塞尔光束发生器，实现了OAM模式向贝塞尔模式的转换。得益于完全封装的光纤架构，该器件在复杂液体或气体环境中的成像和粒子操控应用中展现出良好的适用性 [34]。总之，3D激光直写技术凭借其纳米级分辨率，在光纤尖端直接制造光学器件方面展现出巨大潜力。此外，2 μm波长作为一个新兴波段，由于其在光通信 [35]、[36]、[37]、[38]、[39]、医疗应用 [40] 和激光雷达系统 [41] 等领域的潜在应用而受到广泛关注。因此，将基于2PP的3D打印的固有优势与2 μm波段的应用需求相结合，可以拓宽涡旋光束的研究范围。早期关于光纤尖端OAM模式转换器的研究极大地推动了模式分割复用的发展。特别是，2PP 3D打印在直接制造光纤尖端光学组件方面展现了巨大潜力。然而，现有研究仍存在某些局限性：一些工作由于技术限制仍处于理论阶段，其他研究则未能充分比较不同SPP在模式转换效率和插入损耗等关键指标上的差异。同时，2 μm波段在光通信、医疗系统和激光雷达中的应用正受到关注，但针对该波段的OAM器件研究仍然不足。为了解决这些挑战，本研究结合了基于2PP的3D打印的固有优势与2 μm波段的应用需求，以拓宽涡旋光束的研究范围。
在这项工作中，我们使用基于2PP的3D打印技术在光纤尖端制备了两种不同结构的SPP，并对其性能进行了系统评估，包括强度拓扑、模式转换效率和插入损耗。仿真和实验结果均表明，基于光纤尖端的连续型SPP表现出更好的性能。这项研究为开发针对2 μm波段光通信等未来应用的新型紧凑型光子器件提供了一种可行的技术途径。
操作原理与仿真
图1展示了在光纤尖端制备的微米级SPP的示意图。SPP是一种透明板，其厚度沿方位方向线性增加，结构类似于螺旋斜坡。其工作原理是引入与方位角相关的相位调制。调制后的光束具有螺旋波前，并在其中心处强度为零。
阶梯型SPP的表面不是连续的，而是分为 M 个台阶。
OAM模式转换器的制备与特性
我们使用市面上可用的Nanoscribe Photonic Professional GT2系统，通过基于2PP的3D打印技术制备了光纤尖端集成的SPP。该系统使用中心波长为780 nm、重复频率为80 MHz的飞秒激光器进行制备。激光束通过伽利略镜扫描，实现了逐体素的结构化。
波长通用性分析
虽然本研究主要关注2 μm波段，但我们进一步研究了该器件在其他通信波段中的适用性。通过系统仿真和实验评估了所提出设计方法的多功能性。这里以连续型SPP结构为例。
首先，我们使用FDTD仿真研究了该器件在980 nm、1310 nm和1550 nm波长下的性能。图12(a)–(c)显示了归一化强度
结论
总结来说，我们展示了集成在光纤尖端的OAM模式转换器。其核心组件是使用基于2PP的3D打印技术制备的紧凑型微SPP。通过对模式场分布、模式转换效率和插入损耗的分析，我们确认该器件能够有效地将高斯光转换为2 μm波段的OAM模式。连续型SPP的性能优于阶梯型SPP。实验测得的转换效率
<红it作者贡献声明>
Ji Wanting：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、形式分析、数据管理。Monika Halendy：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件。Quandong Huang：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、资源管理、项目管理、方法论。Zongyang Cai：可视化、软件、形式分析。S?awomir Ertman：撰写 – 审稿与编辑、可视化、软件
