面向高性能计算的柱矢量光束光互联

【摘要】：随着高性能计算机的不断发展,节点之间互联的容量需求持续增长,现有的光互联技术已经无法满足高性能计算机的发展需求,亟需发展节点之间光互联复用技术。柱矢量光束多路复用已经显示出具有增加自由空间和光纤通信信道容量的巨大潜力。复用和解复用器以及支持高阶模式传输的光纤是柱矢量光束光纤通信系统的关键器件,但是目前还缺少高效率和大动态范围的柱矢量光束解复用器以及支持高阶柱矢量光束传输的光纤。针对目前柱矢量光纤通信系统存在的问题,本文对现有的柱矢量光束产生和检测方法分析之后,提出以下研究:1、各向异性光学几何变换检测柱矢量光束;2、各向异性扇出光学几何变换高分辨率检测柱矢量光束;3、硅基超表面扇出光学几何变换检测柱矢量光束;4、柱矢量光束在空心光子晶体光纤复用通信。本论文主要内容包括:1.各向异性光学几何变换检测柱矢量光束的研究。柱矢量光束能够分解为左旋圆偏振和右旋圆偏振并且拓扑荷相反的两个轨道角动量。纯相位光学几何变换能高效检测轨道角动量,但无法直接检测柱矢量光束。各向异性材料具有独立调控柱矢量光束的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量的能力。因此,本文提出各向异性光学几何变换检测柱矢量光束。各向异性光学几何变换器由光控取向液晶加工。器件的总像素数为768×768,像素大小为11.7μm。柱矢量光束通过各向异性光学几何变换后聚焦形成长条形光斑,并且光斑的横向位移与柱矢量光束的阶数相关。实验中演示了-10阶到+10阶柱矢量光束的检测,检测效率高达61.7%。同时还将各向异性光学几何变换应用于自由空间和少模光纤的同轴柱矢量光束复用通信系统。柱矢量光束复用通信系统具有应用于下一代大容量短距离光互联的潜力。2.各向异性扇出光学几何变换高分辨率检测柱矢量光束的研究。虽然各向异性光学几何变换实现高效和大动态范围检测柱矢量光束,但是空间分辨率不足以分离相邻阶柱矢量光束,并且检测结果是不规则形状的长条形光斑。在各向异性光学几何变换的基础上引入扇出结构提高柱矢量光束的检测分辨率,并通过柱透镜将不规则的长条形光斑聚焦形成高斯光斑。实验上演示了-5阶到+5阶柱矢量光束的检测,并将变换后的高斯光斑同时耦合到多模光纤阵列,耦合的插入损耗小于8.7 dB,相邻阶模式串扰低于-6 dB。与不规则的长条形光斑相比,柱透镜聚焦形成的高斯光斑减少了7 dB的光纤耦合损耗。在自由空间和少模光纤演示了四路同轴柱矢量光束通信实验。各向异性扇出光学几何变换提高了柱矢量光束的检测分辨率,并将同轴柱矢量光束的检测结果同时耦合到光纤阵列。3.硅基超表面扇出光学几何变换检测柱矢量光束的研究。硅基超表面技术具有加工精度高、集成度高的优点,能够实现各向异性扇出光学几何变换的集成化。通过理论分析和模拟仿真设计了具有几何相位的椭圆柱纳米棒结构。以椭圆柱纳米棒结构为单个像素点,通过控制椭圆柱纳米棒阵列的取向角,实现硅基超表面扇出光学几何变换。所设计的硅基超表面器件大小为1.6 mm×1.6 mm,像素大小为0.8?m,整个系统的工作距离小于50 mm。数值模拟显示硅基超表面扇出光学几何变换能高效率和大动态范围检测柱矢量光束。4.柱矢量光束在空心光子晶体光纤复用通信的研究。相比于实心光纤,空心光纤的有效折射率差大、传输延时小,适合应用于高性能计算机内部的光互联。通过模拟显示空心光子晶体光纤支持±1阶到±4阶柱矢量光束的传输,比少模光纤多4个模式。而且空芯光子晶体光纤的有效折射率差比少模光纤大一个数量级,有效抑制光纤内部不同模式之间的串扰。在传输实验中演示了±1到±4阶柱矢量光束在8.25米的空心光子晶体光纤传输,输出的模式纯度高于76.5%。在通信实验中演示了同轴柱矢量光束在空心光子晶体光纤复用通信,相邻模式之间的串扰小于-9 dB,测试的误码曲线低于前向纠错阈值。