CN101345556A - 携有轨道角动量电磁波束的无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种新型的携有轨道角动量电磁波束的无线通信系统，可以实现电磁波在自由空间中的大容量无线保密通信。本发明中，电磁波源发出的电磁波束，经透镜到达同轴计算全息图获得轨道角动量，通过计算机编程把要发送的信息数据以轨道角动量编码的形式载入电磁波束中，之后带有信息数据的电磁波束被准光学望远镜扩束后，在自由空间中传播。经大气传播之后的电磁波束被准光学望远镜缩束准直后，由离轴计算全息图衍射，再经透镜到达焦平面成像系统显示出远场衍射图，分析出接收到的轨道角动量值，从而解码出信息，实现无线通信。

Description

携有轨道角动量电磁波束的无线通信系统
技术领域
本发明主要涉及自由空间中无线通信技术，电磁波的轨道角动量理论及计算全息技术。
背景技术
通信是指一切将信息从发送者传送到接收者的过程。自古以来，信息就如同物质和能量一样，是人类赖以生存和发展的基础资源之一。人类通信的历史可以追溯到远古时代，文字、信标、烽火及驿站等作为主要的通信方式，曾经延续了几千年。无线通信系统是利用电磁波实现信息传送过程的系统，一般由发送设备、接收设备组成。随着各行业技术的不断发展，无线通信的适用面也越来越宽，但是如何提高无线通信系统的通信信息量及安全性仍为当前的重要课题。
1992年，L.Allen等人首次发现带有相位因子exp(ilφ)的电磁波束中含有每光子
Figure A20081011807900031
l的轨道角动量。这种带有轨道角动量的电磁波束其强度样式都为暗中心的圆环，而轨道角动量为零的电磁波其强度中心为亮点。理论上l可以取任意整数，因此利用轨道角动量进行编码可以大大提高系统容量。而且又由于量子力学中角动量与角位置的不确定性原理，任何发生位移，角偏移的探测器接收到的电磁波轨道角动量谱都会被展宽，甚至改变其均值，因此很难得到准确的信息，确保了系统的安全性。目前用于产生轨道角动量的方法主要有三种：螺旋板、棱镜转换和计算全息法。其中，计算全息法不仅可以全面地记录光波的振幅和相位，而且能综合复杂的，或者世间不存在物体的全息图，因而具有独特的优点和极大的灵活性，得到广泛应用。
发明内容
传统的无线通信系统对容量及安全性的需求越来越大，本发明提出的携有轨道角动量电磁波束的无线通信系统利用轨道角动量理论上其值可以取到无限大以及角动量与角位置的不确定性原理，把信息按轨道角动量形式编码可以提高无线通信系统的容量，且增强其安全性。并且采用计算全息形式产生和测量轨道角动量，大大增加了系统的灵活性，降低了成本。
本发明提出的携有轨道角动量电磁波束的无线通信系统采用如下技术方案：
发明提出如图1所示的携有轨道角动量的电磁波束的无线通信系统，该系统主要由信息发射子系统和信息接收子系统组成。在本发明中信息发射子系统中的电磁波源发出电磁波束，由透镜傅立叶变换后，到达同轴计算全息图获得轨道角动量，通过计算机编程把要传输的信息数据以轨道角动量编码的形式载入电磁波束中，再经准光学望远镜扩束后发射出去，在自由空间中传播。经大气传播后的电磁波束被信息接收子系统中的准光学望远镜缩束准直后，由离轴计算全息图解码，再经透镜傅立叶变换到达焦平面成像系统，由计算机分析计算出角动量值，从而解码出信息，达到实现无线通信的目的。在本发明中，各器件的中心要对准，系统各个部分说明如下：
1.信息发射子系统
(1)电磁波源：当采用不同的波段进行通信时，所对应的电磁波产生器就为相应的波源，不同的波段主要针对不同的通信目的。比如当对防大气扰动比较重视时，可以选用毫米波波段，此时的电磁波产生器就为毫米波源，相应的价钱会高。而且要置于透镜前焦平面。
(2)透镜：目的是对电磁波束进行傅立叶变换。
(3)同轴计算全息图：由空间光调制器显示，这样可实时再现相息图，无需经过以往对胶片的显影和漂白等麻烦的工艺。相息图只能产生零级和+1级共线性的衍射，零级产生的仍为不带角动量的波束，用来对系统的排列进行校准。计算机预先以轨道角动量值的形式设定好信息的编码值，对相息图一级衍射产生的角动量值进行控制。要放置于透镜的后焦平面之后，紧贴后焦平面的位置。
(4)准光学望远镜：目的是对电磁波束进行扩束准直。
2.信息接收子系统
(1)准光学望远镜：是一个倒置的扩束系统。
(2)离轴计算全息图：同时有水平和垂直方向，也由空间光调制器显示，其在远场的衍射图为一个3×3的阵列形式，各波束之间的间隔由计算机控制。不能发生混叠。且要放置于透镜的前焦平面之前，紧贴前焦平面的位置。
(3)透镜：透镜的目的是对离轴计算全息图衍射出的电磁波束进行傅立叶变换。
(4)焦平面成像系统：焦平面成像系统放置于透镜的后焦平面，获取离轴计算全息图3×3的阵列形式衍射图，除了中心用于校准的点中心始终为亮点外，在其余8个点中有一个点的中心也为亮点，由此可以知道对应的角动量值，再经高速处理器分析计算就可解码出发送的信息。
本发明的主要特色：把量子力学中的轨道角动量原理与无线通信结合起来，利用轨道角动量理论上其值可以取到无限大以及角动量与角位置的不确定性原理，把信息按轨道角动量形式编码来实现容量大，安全性强的无线通信。并采用灵活方便的计算全息图对信息进行编码与解码。
本发明的效益与应用前景：本发明提出的利用电磁波束轨道角动量来对信息编码的无线通信系统，可广泛应用于光波、微波、毫米波等波段的无线通信系统中，具有容量大，安全性高，成本低，灵活方便等优势。
附图说明
图1为携有轨道角动量电磁波束的无线通信系统(以毫米波波段为例)
图2为发射系统中的同轴计算全息图(以l＝2为例)
图3为接收系统中的离轴计算全息图(以x方向l＝1，y方向l＝3为例)
图4为无轨道角动量电磁波束垂直照射图3的离轴计算全息图后得到的远场衍射图
图5为l＝2的电磁波束垂直照射图3的离轴计算全息图后得到的远场衍射图
具体实施方式
计算全息图是计算机模拟的物波与参考波叠加后形成的干涉图样。当用原参考波照明计算全息图时，就能再现原物波。产生轨道角动量为/的最简单的计算全息图形式为
(1/2π)mod(lφ-kxx，2π)
其中l为所需产生的轨道角动量值，φ为径向角，kx决定了在x方向的各级衍射的分离情况，当kx＝0时，也就是当物波与参考波同轴相干时，得到的一级和零级衍射共线性叠加，就可以以零级产生的无轨道角动量波束在衍射图中心的亮点为校准点，而得到的带有轨道角动量的波束产生的亮点被用来解码。其相息图如图2所示(l＝1)。接收系统中的相息图为y方向与x方向衍射相叠加所得(图3以x方向产生的l＝1，y方向的l＝3)时，就可以得到一个3×3的阵列形式的衍射图，如图4所示，其中各数字代表产生电磁波束的轨道角动量数。带有轨道角动量的波束其强度样式都为暗中心的圆环，而轨道角动量为零的波束强度中心为亮点。当lin＝m的电磁波束从中间垂直照射全息图时，各衍射位置上的角动量数都会增加m，而与m数值相同，符号相反的位置由于轨道角动量抵消，就会在此位置的中心出现亮点。假设lin＝2的波束照射时，远场衍射图就变成图5所示，则在原来-2位置中心会出现亮点，而其他位置的中心仍为暗斑，由此就能确定入射的轨道角动量值为2。用于校准的零级衍射波束对接收端的远场衍射斑不增加任何轨道角动量数，使得衍射图中心仍旧会出现一个亮点，这样只要确定中心有亮点就能保证系统元件对直，从而不会引起轨道角动量谱的展宽。
图1显示了携有轨道角动量电磁波束的无线通信系统图(以毫米波波段为例)。毫米波源1(为InP Gunn二极管振荡器)发出毫米波束，由透镜2傅立叶变换后，经过同轴计算全息图3获得轨道角动量，同轴计算全息图3是显示在空间光调制器4上的，与空间光调制器4相连的计算机5对要传输的信息以轨道角动量的形式进行编码，来控制所需的同轴计算全息图样3，经编码后的带有轨道角动量的波束再经过准光学望远镜6扩束后发射到大气中。之后，经过大气传输的电磁波束7到接收端，由准光学望远镜6缩束准直，再传输到离轴计算全息图8，离轴计算全息图8也是由空间光调制器4显示，由计算机5模拟得到的。之后，经过透镜2傅立叶变换，在透镜后焦面上的焦平面成像系统9上显示出远场衍射图，再根据上面所述的原理，用计算机5分析计算接收到的轨道角动量值，从而解码出信息，达到实现无线通信的目的。如果得到的远场衍射图的中心亮斑发生偏移，就需要重新调整接收子系统中的元件，直到中心出现亮斑。

Claims (6)

1.一种新型的携有轨道角动量电磁波束的无线通信系统，其特征是：利用轨道角动量值理论上可取到无限大，以及角动量与角位置的不确定性原理，把信息按轨道角动量形式编码来实现容量大，安全性强的无线通信。所述携有轨道角动量电磁波束的无线通信系统包括由电磁波源、透镜、同轴计算全息图和准光学望远镜组成的信息发射子系统和由准光学望远镜、离轴计算全息图、透镜和焦平面成像系统组成的信息接收子系统，系统各部分协同工作。
2.根据权利要求1，所述信息发射子系统中，电磁波源发出的电磁波束，由透镜傅立叶变换后，到达同轴计算全息图获得轨道角动量，通过计算机编程把要发送的信息数据以轨道角动量编码的形式载入电磁波束中，再经准光学望远镜扩束准直后发射出去，在自由空间中传播。
3.根据权利要求1，所述信息接收子系统中，经大气传播后的电磁波束被准光学望远镜缩束准直后，由离轴计算全息图衍射，再经透镜傅立叶变换到达焦平面成像系统，由计算机分析计算出角动量值，从而解码出发送的信息。
4.根据权利要求1，所述电磁波可为光波，微波，毫米波。
5.根据权利要求2，所述信息发射子系统中的同轴计算全息图，由空间光调制器显示，只能产生零级和+1级的衍射，且两级的波束共线性重叠。计算机随时控制同轴计算全息图产生的轨道角动量值。所述同轴计算全息图放置于透镜的后焦平面之后，紧贴于后焦平面的位置。
6.根据权利要求3，所述信息接收子系统中的离轴计算全息图同时有水平和垂直方向的衍射，也由空间光调制器显示，其在远场的衍射图为一个3×3的阵列形式。计算机设置各波束之间的间隔及轨道角动量的值。所述离轴计算全息图放置于透镜的前焦平面之前，紧贴于前焦平面的位置。
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