Abstract With growing interest in the spatial dimension of light, multimode fibers, which support eigenmodes with unique spatial and polarization attributes, have experienced resurgent attention. Exploiting this spatial diversity often requires robust modes during propagation, which, in realistic fibers, experience perturbations such as bends and path redirections. By isolating the effects of different perturbations an optical fiber experiences, we study the fundamental characteristics that distinguish the propagation stability of different spatial modes. Fiber perturbations can be cast in terms of the angular momentum they impart on light. Hence, the angular momentum content of eigenmodes (including their polarization states) plays a crucial role in how different modes are affected by fiber perturbations. We show that, accounting for common fiber-deployment conditions, including the more subtle effect of light’s path memory arising from geometric Pancharatnam–Berry phases, circularly polarized orbital angular momentum modes are the most stable eigenbasis for light propagation in suitably designed fibers. Aided by this stability, we show a controllable, wavelength-agnostic means of tailoring light’s phase due to its geometric phase arising from path memory effects. We expect that these findings will help inform the optimal modal basis to use in the variety of applications that envisage using higher-order modes of optical fibers.

中文翻译：

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光纤中的传播稳定性：路径记忆和角动量的作用

摘要 随着人们对光的空间维度的兴趣日益浓厚，支持具有独特空间和偏振属性的本征模式的多模光纤再次受到关注。在传播过程中利用这种空间多样性通常需要稳健的模式，而在实际光纤中，这些模式会经历诸如弯曲和路径重定向等扰动。通过隔离光纤经历的不同扰动的影响，我们研究了区分不同空间模式传播稳定性的基本特征。光纤扰动可以根据它们赋予光的角动量进行投射。因此，本征模式的角动量含量（包括它们的偏振态）在不同模式如何受到光纤扰动的影响方面起着至关重要的作用。我们表明，考虑到常见的光纤部署条件，包括几何 Pancharatnam-Berry 相产生的光路径记忆的更微妙的影响，圆偏振轨道角动量模式是光在适当设计的光纤中传播的最稳定的本征基础。在这种稳定性的帮助下，我们展示了一种可控的、波长不可知的方法，可以根据路径记忆效应产生的几何相位来调整光的相位。我们希望这些发现将有助于为设想使用高阶光纤模式的各种应用提供最佳模式基础。圆偏振轨道角动量模式是光在适当设计的光纤中传播的最稳定的特征基础。在这种稳定性的帮助下，我们展示了一种可控的、波长不可知的方法，可以根据路径记忆效应产生的几何相位来调整光的相位。我们希望这些发现将有助于为设想使用高阶光纤模式的各种应用提供最佳模式基础。圆偏振轨道角动量模式是光在适当设计的光纤中传播的最稳定的特征基础。在这种稳定性的帮助下，我们展示了一种可控的、波长不可知的方法，可以根据路径记忆效应产生的几何相位来调整光的相位。我们希望这些发现将有助于为设想使用高阶光纤模式的各种应用提供最佳模式基础。