基于贝塞尔-高斯光束生成尺寸可调准完美涡旋光束的高效轨道角动量分集复用光纤耦合方法

本文提出了一种利用透镜-轴棱锥组合将贝塞尔-高斯（BG）光束转换为尺寸可调准完美涡旋（PV）光束的创新方法，通过动态调节轴棱锥轴向位置实现光束尺寸精准匹配不同环芯光纤（RCF），为轨道角动量（OAM）复用通信提供了兼具灵活性（耦合效率η>95%）与成本效益的解决方案，有效规避空间光调制器（SLM）的像素化效应问题。

　　

亮点

• 通过轴向移动单个轴棱锥实现准完美涡旋光束尺寸动态调谐

• 耦合效率（η）超过95%且适用于多种轨道角动量（OAM）模式

• 针对大气湍流引起的串扰与效率衰减进行量化分析

• 阐明耦合失准导致的轨道角动量谱分散效应

参数表

为提升文章可读性，我们在理论分析前汇总了文本中的关键参数，其具体符号与定义如表1所示。

尺寸可调准完美涡旋

生成完美涡旋（PV）的常用方法是对贝塞尔-高斯（BG）光束进行傅里叶变换。根据傅里叶变换理论，将物体置于透镜后方距焦平面任意距离d处即可实现变换。本研究通过精妙调控轴棱锥轴向位移，使准完美涡旋光束像魔法师手中的光环般自由缩放，完美适配不同规格的环芯光纤（RCF）。

结果与分析

仿真参数见表2。模型中用于光纤耦合的轴棱锥与生成初始贝塞尔-高斯光束的轴棱锥具有一致性，其核心特征——径向波矢分量k_r由材料折射率n和轴棱锥底角τ决定。这些参数构成针对特定光纤优化的"光学配方"，确保准完美涡旋光束像精准的钥匙般插入环芯光纤的"锁孔"。

结论

本文通过将贝塞尔-高斯光束转换为尺寸可调准完美涡旋光束，提出了一种高效自适应的轨道角动量分集复用（OAM-DM）光纤耦合方案。研究核心创新在于通过轴向调节耦合系统内的轴棱锥位置，实现准完美涡旋光束尺寸的动态调谐。该方法成功解决了静态光学系统僵化性与空间光调制器（SLM）系统高成本复杂度间的矛盾，为轨道角动量复用通信建立了兼具灵活性与实用性的新范式。