Effect of optical fiber twist on propagating orbital angular momentum modes

The present thesis work investigates the effect of fiber twist on modes propagating through the fiber, with the aim of shedding light on the mode-coupling phenomenon induced by external perturbations. The modal cross-talk arising when light is coupled from one mode to another, represents the major obstacle to the realization of mode division multiplexing systems for long-haul transmission. Therefore, a deeper understanding of mode coupling effects in fibers can lead to developments in spatially multiplexed optical communication systems and, consequently, to an increase in the data-carrying capacity of a single optical fiber. In order to explore the mode-coupling mechanism induced by fiber twist, two effects generated by the rotation of the fiber around its longitudinal axis are taken into account. The first one is the geometric effect and considers the rotated relative position of the fiber output compared to the input. The second one, instead, is the photoelastic effect and considers the changes in the optical properties of the fiber due to the applied torsional stress. Both effects influence modes propagating through the fiber. In the present work, the twist induced effect is explored choosing the basis set of modes with well-defined values of spin and orbital angular momentum. Starting from the results obtained in previous works analysing the influence of fiber torsion on polarization and mode pattern, the developed theoretical study recognizes the twist induced effect on fiber modes as a phase shift depending on the total angular momentum. The experimental verification is realized by means of an interference experiment in a few mode fiber.

Il presente lavoro di tesi indaga l’effetto della torsione della fibra sui modi in essa propaganti, con l’obiettivo di far luce sul fenomeno del mode-coupling generato da perturbazioni esterne. Il cross-talk modale che ha origine nel passaggio della luce da un modo all’altro, rappresenta l’ostacolo maggiore alla realizzazione di sistemi di tipo mode division multiplexing per trasmissioni su lunghe distanze. Per questo, una più profonda comprensione degli effetti del mode coupling sulla propagazione in fibra, può portare a sviluppi in sistemi di comunicazione di tipo space division multiplexing e, conseguentemente, ad un aumento della capacità di trasporto dati di una singola fibra ottica. Per esplorare il meccanismo di mode-coupling prodotto dalla torsione della fibra, vengono tenuti in considerazione due effetti generati dalla rotatione della stessa attorno al suo asse longitudinale. Il primo è l’effetto geometrico e considera la posizione relativa dell’uscita della fibra rispetto all’ingresso. Il secondo, invece, è l’effetto fotoelastico e considera le variazioni nelle proprietà ottiche della fibra dovute all’applicazione dello stress di torsione. Entrambi gli effetti influenzano i modi propaganti in fibra. Nel presente elaborato, l’effetto indotto dal twist viene indagato sulla base di modi con ben definiti valori di spin e momento angolare orbitale. Partendo da risultati ottenuti in lavori precedenti, riguardanti l’influenza della torsione della fibra su polarizzazione e pattern, lo studio teorico svolto dimostra che l’effetto indotto dal twist sui modi propaganti in fibra consiste in una variazione di fase legata al momento angolare totale. La verifica sperimentale è realizzata per mezzo di un esperimento di interferenza in una fibra con pochi modi.