CN101355420A - 与安全通信相关的方法和设备 - Google Patents

Abstract

与安全通信相关的方法和设备。本发明的将数据加密到电磁波束上的方法包括：提供包含参考分量和具有模态的信号分量的电磁波束，其中所述信号分量易受几何相位的累积。沿路径传输该电磁波束，在该路径的至少一部分上，所述信号分量的模态从第一模态转变为第二模态，从第二模态转变为至少一个其它模态，然后回到第一模态，从而所述信号分量累积几何相位。通过调制所述模态转变，用数据对这样累积的几何相位进行调制。

Description

与安全通信相关的方法和设备

技术领域

本发明涉及安全通信。更具体地，本发明涉及将数据加密到电磁波束上。

背景技术

在社会中安全地传输数据变得日益重要。在不同地点之间传输个人数据、商业和金融信息和加密密钥本身，希望截获的风险最小(或最好是没有)。已提出各种加密方案来保护所传输的数据。

这样的方案的示例是量子加密，其原理上可以提供完全安全的传输。大多数目前的加密方法依赖于特定数学函数的运算复杂性，但是量子加密是基于物理现象。量子加密的通常目的是共享随机数据串，以用作敏感消息的加密(和解密)中的密钥；通常使用合适的算法来执行加密本身。然后可以在开放(非安全)通信信道上安全地传输加密后的消息。

量子理论告诉我们在系统中观测可观察量会干扰系统，特别是在由非交换算子描述两个可观察量的情况下。两个这样的可观察量的示例是光子的极化状态，例如，一方面是垂直/水平状态，另一方面是45度/135度对角状态。可以使量子系统纠缠，由此链接两个或更多个对象的量子状态，并且即使对象彼此之间分开很大的距离，也保持链接。

那些现象使得能够构建检测任何窃听企图的量子通信系统，并且，通过拒绝任何被窃听污染的数据，可以在确信安全的条件下传输密钥。因此，在一类量子加密系统中，利用光子极化来构造密钥，拒绝被窃听污染的比特。

在另一类中，使用纠缠光子。将纠缠光子对中的一个传输到接收器。在系统的发送端和接收端对纠缠光子进行测量，利用那些实验的结果来构建安全密钥。

然而，目前，量子加密受到很多限制，例如距离(由于需要传输单个光子)、低比特率、易受干扰、实现实际工作的系统非常难。

利用量子力学效应的另一个研究领域是量子计算的领域。在量子计算中，利用纠缠等的量子物理现象来对数据进行运算。利用光的极化来进行量子计算的缺点是，光的极化只适于单个位的计算，即，可以将光的任何极化状态描述为两个正交极化状态的叠加。E.J.Galvez等(在“Geometric phase associated with mode transformation of optical beamsbearing orbital angular momentum”，Physical Review Letters，90(20)，203901，2003中)描述了一种用于N位量子计算的装置。

为了理解Galvez装置的工作，应当首先考虑Stokes空间中的Poincaré球(图1)。通常利用这样的Poincaré球来表示光束的极化状态。

在3D Stokes空间中，通过形成三个Stokes向量的三个互相正交的坐标S₁、S₂和S₃来描述极化。可以将任何极化表达为上述三个Stokes向量的组合。对于完全极化信号或光束，通过表达式 $S_0^2=S_1^2+S_2^2+S_3^2$ 给出光S₀的强度，该表达式对于恒定强度是球的公式；因此，恒定强度光束的可能极化形成Stokes空间中的球面轨迹。

极化等价于量子力学旋转，所以具有角动量的量纲；因此M.J.Padgett和J.Courtial揭示了(在“Poincaré-sphere equivalent for light beamscontaining orbital angular momentum”，Optics Letters，24(7)，p430，1999中)：Poincaré球也可以用来表示光束的轨道角动量的状态，这形成了与极化类似的一组模。

在图2的Poincaré球20上示出了高阶Hermite-Gaussian(HG)和Laguerre-Gaussian(LG)模。HG模与线极化类似，并且位于Poincaré球的赤道上，而两个LG模(与圆极化类似)位于Poincaré球的两极。

对于遵循Poincaré球的对称性的模或组，Poincaré球表面上的闭合轮廓路径(即，使模或组远离并回到初始状态的变换操作的集合)导致几何相位，该几何相位由闭合轮廓路径相对于Poincaré球的中心展开的立体角给定。几何相位效应是由于拓扑效应造成的相位积累。当经历相同的变换运算集合时，不表现出适当的对称性的模或组不会得到几何相位。

通过方位角2θ和倾斜角

(图2)上的二重积分给定闭合轮廓所对的立体角[注意：实际空间中的方位角θ被变换为Stokes空间中的2θ]。

在图2的Poincaré球20上示出了闭合轮廓路径A-B-C。起始位置是南极，模LG₀ ⁺¹。在第一变换中，将倾斜角

增加π/2，从而模穿过路径A位于赤道上并且(为了方便说明-精确HG模是任意的)成为模HG₀₁。随后，在第二变换中，将实际空间中的方位角旋转θ(对应于Poincaré球上的2θ)，从而该模虽然仍然位于赤道上但是穿过轨迹B并且大体上成为HG₀₁模和HG₁₀模的混合状态，即HG₀₁cosθ+HG₁₀sinθ。最后，倾斜角

减去-π/2，从而模遵循路径C，再次到达南极，在获得相关的几何相位Ω的同时完成了闭合轮廓轨迹。

图3(本质上是Galvez量子计算装置)表示如何在实际中获得这样的方位角和倾斜角改变。可以认为该装置由三个部分组成，部分30，用于生成轨道角动量模；部分40，用于添加几何相位；和部分50，用于检测所添加的几何相位。

用于添加几何相位的部分40由(图4)具有平行轴的第一对柱面透镜60，第一和第二Dove棱镜70、80，以及第二对平行柱面透镜组成。在公共光轴100上安装所有组件，从而光顺序地通过其每个。在激励旋转阶段安装柱面透镜60、90，使得它们可以分别绕光轴100旋转一定的角度。在激励旋转阶段安装第一Dove棱镜70，使得它可以绕垂直于光轴100的轴旋转角度θ/2。

第一对柱面透镜60的π/4角度的轴向旋转导致了倾斜角

的所需的π/2相位变化，并且在LG和HG模之间转换。第二对柱面透镜90的轴向旋转把模再变回去。第一Dove棱镜在轴上相对于第二Dove棱镜朝向角度θ/2，从而使模空间旋转角度θ[注意：如前所述，这导致相关Stokes空间中的角度2θ]。

图5表示如何实现光的两种模的复用：经历了几何相位调制的第一模，以及未经历任何几何相位改变的第二模。用于生成轨道角动量模的部分30由表现出单相位行错位(图5(b)-本质上是其中心的相位奇点)的计算机生成全息图(CGH)，一对分光器BS1、BS2，一对反射镜M1和M2，以及一对可变光阑(iris stop)组成。

将CGH置于准直最低阶高斯(Gaussian)光束之前，即，LG₀ ⁰模。CGH用来将光衍射为多阶。第0阶(未衍射)光与入射光束相同并且保持光的最低阶LG₀ ⁰模。第一阶衍射光的模是LG₀ ⁺¹和LG₀ ⁺¹模，分别构成第+1和第-1阶。将衍射阶传递到功率分束棱镜(power beam splitting cube)BS1，在所得到的两个光路上，通过空间滤波，即，通过各个光路上的可变光阑，选择所希望的阶。允许第0阶光通过第一路径(从反射镜M1反射)；而只允许第+1阶衍射光通过第二路径(从反射镜M2反射)。通过反射镜M1和M2分别将两个空间滤波光束反射到第二功率分束棱镜BS2，BS2用来将两个选择的模LG₀ ⁰和LG₀ ⁺¹组合在一起。两个模然后通过用于添加几何相位的部分40(图4)。这里LG₀ ⁰模不经历几何相位调制，而如上所述，对高阶的OAM模LG₀ ⁺¹进行几何相位调制。

如Galves论文中所述，通过将来自用于添加几何相位的部分40的输出直接成像到CCD摄像器上，并关注LG₀ ⁰和LG₀ ⁺¹模的叠加所导致的干涉图案的相对旋转，来检测(在用于检测所添加的几何相位的部分50中)几何相位。

本发明寻求提供一种加密方法和设备，其中改进了现有加密系统的至少一些上述问题。

发明内容

在第一方面中，本发明提供了一种将数据加密到电磁波束上的方法，包括：提供包含参考分量以及具有模态(modal state)的信号分量的电磁波束，其中信号分量易受几何相位的累积；沿路径传输该波束，信号分量在该路径的至少一部份上通过使其模态从第一模态转变为第二模态，从第二模态转变为至少一个其它模态，然后回到第一模态，从而累积几何相位；以及，通过对所述模态转变进行调制，用数据对这样累积的几何相位进行调制。

电磁波束可以例如是光束、红外光束、微波束或毫米波束。

可以在发射器处累积至少一部分的几何相位；即，可以在发射器处进行至少一些的模态转变。可以在接收器处累积至少一部分的几何相位。可以在发射器处累积一部分几何相位并且在接收器处累积一部分几何相位。可以在发射器和接收器处累积所有的几何相位(即，在其他任何地方不累积几何相位，例如，在发射器与接收器之间的传播期间不累积几何相位)。

从这里描述的本发明的具体实施方式可知，在该方法的不同阶段，“发射器”和“接收器”的意义可以互换。例如，在一些实施例中，在两个人(为了方便称为“Alice”和“Bob”)之间建立安全通信信道。Alice可以最终是在信道上向Bob发送消息的人，但是可以是Bob发起获得几何相位的波束传输。因此，Bob可以向Alice发送波束，Alice可以将其返回给Bob，可以在Bob的设备中、在Alice的设备中，或者部分在Bob的设备中并且部分在Alice的设备中获得几何相位。Alice或Bob可以对波束进行调制，以在信号分量的几何相位中编码进密钥；Bob或Alice(即，另一个人)然后可以通过从波束中提取相位调制来提取密钥。Alice和Bob然后都具有密钥，所以任何一个然后都可以使用密钥对消息进行加密，开始传输秘密消息。因此在该示例方法期间，Alice和Bob都将其设备用作发射器和接收器。本领域技术人员在给定的背景中都能理解是将设备用作发射器、接收器还是两者。

可以在波束沿路径完成传播之前进行调制。可以是只有在波束沿路径完成传播之后信号分量获得的调制几何相位才变得可测量。因此，例如，可以在发射器处发生调制，但是调制几何相位可以只在接收器处变得可测量。

可以是光束的参考分量不易受几何相位的累积，从而参考分量不累积几何相位。

可以通过将波束分为两个波束，对一个或两个波束进行空间滤波来选择信号和参考分量，并对选择的分量进行重新组合来重新形成波束，从而将信号和参考分量与其它分量分离开。

通常，由于信号分量和参考分量彼此共同传播，因此由接收器与发射器之间的传播(即，波束在通常不会发生几何相位变化的路径上的传播)导致的相位变化对于信号分量和参考分量来说是相同的；因此，信号分量和参考分量沿接收器与发射器之间共同的物理路径传播。

所述的模态可以是单一模或多种模的混合。

所述的转变可以是从第一模态到第二模态、并从第二模态到第三模态，然后回到第一模态。

参考分量可以处于基本模。

可以把模转变理解为在Poincaré球上形成轨迹。当在Poincaré球模型的背景中考虑本发明的实施例时，本领域技术人员可以理解在Poincaré球上轨迹闭合形成闭合环路是导致几何相位存在的行为。只有当两个分量处于相同模态时，两个分量(例如，(i)一组转变之前的信号分量和(ii)一组转变之后的信号分量)的相对相位的比较通常才是有意义的。因此，当信号分量返回第一模时，在其转变为一个或更多个不同模时获得的几何相位就显现出来。

该环路可以在设备的发射器端闭合。或者，该环路可以在设备的接收器端闭合。因此，在后者情况下，因为在发射器与接收器之间信号与参考分量没有处于适当的模态，所以在发射器与接收器之间截取波束的窃听者不能对信号与参考分量的相位进行有用的比较。在该实施例中，只有当环路在接收器处闭合时，即只有当波束安全地通过截取危险之后，几何相位才变得可测量。

信号与参考分量的模态可以是轨道角动量模态。因此，调制可以是用数据对波束的信号分量的轨道角动量进行调制。

参考分量可以具有零轨道角动量。

可以将信号分量从第一轨道角动量模态转变为不同轨道角动量模态，然后进入至少一个进一步不同的轨道角动量模态，然后回到第一轨道角动量模态，从而模态转变在Poincaré球上形成闭环。信号分量可以开始于阶数大于或等于1的Laguerre-Gaussian模，例如LG₀ ⁺¹模。可以在该方法中将信号分量转换成Hermite-Gaussian模，例如，HG₀₁模、HG₁₀模、或HG₀₁模和HG₁₀模的混合状态。可以在该方法中将信号分量从Hermite-Gaussian模转换为Laguerre-Gaussian模，例如从HG₀₁模、HG₁₀模、或HG₀₁模和HG₁₀模的混合状态转换为LG₀ ⁺¹模。

参考分量可以开始于Laguerre-Gaussian模，例如LG₀ ⁰模。参考分量可以在整个方法中保持为LG₀ ⁰模。

可以使用一对具有平行轴的柱面透镜来转换信号分量。

可以使用一对Dove棱镜来转换信号分量，这一对棱镜彼此错开一定的角度。

该角度可以是绕着波束方向。

可以通过(i)第一对具有平行轴的柱面透镜，(ii)至少一对Dove棱镜，以及(iii)第二对具有平行轴的柱面棱镜，来累积几何相位。所有元件(i)到(iii)可以在设备的发射器端。元件(i)到(iii)的至少一个可以(附加地或可选地)位于设备的接收器端，而其他元件位于设备的发射器端。因此，几何相位的生成可以在发射器和接收器之间分布。

可以使用设置来驱动波束路径中的光学器件的调制器电路来实现轨道角动量模态的调制，从而通过被该调制器驱动的器件的移动来对信号分量的轨道角动量状态进行调制。

通过在第一发射器处向信号分量或参考分量施加随机相位变化，来提供进一步的保护。随机相位变化可以是，例如，数据状序列，例如一系列1和0(例如，一系列+π/2和-π/2相移)。可以将波束从第一发射器传输到接收器，可以在该接收器处将数据加密到波束中，并将波束传输回第一发射器。然后可以在第一发射器处从波束除去随机相位变化。截取包含加密数据的波束的窃听者要面对从波束除去随机相位变化的附加任务，以区分数据。

可以使用2D光栅来生成高阶轨道角动量分量。

在第二方面中，本发明提供了一种从电磁波束中解密数据的方法，包括：(i)接收包含参考分量和具有模态的信号分量的电磁波束，其中信号分量易受几何相位的累积，该波束沿路径传输，在该路径的至少一部分上，通过使信号分量的模态从第一模态转变为第二模态，从第二模态转变为至少一个其它模态，然后回到第一模态，从而信号分量累积几何相位，通过调制模态转变，用数据对累积的几何相位进行调制；以及(ii)将信号分量的总相位与参考分量的总相位比较，从而提取出调制。

信号分量的总相位当然包括累积的几何相位。

参考分量可以处于基本模；例如，其可以具有零轨道角动量。可以是参考分量不获得几何相位。

可以通过将波束会聚到检测器上并且观测两个分量之间的干涉导致的干涉图案，来提取出调制。

可以按照与加密阶段对光学元件进行的朝向改变互补的方式改变相应光学元件的朝向，来除去累积的几何相位。

可以通过(i)第一对具有平行轴的柱面透镜，(ii)一对Dove棱镜，以及(iii)第二对具有平行轴的柱面透镜，在解密之前除去累积的几何相位。

可以利用一对具有平行轴的柱面透镜，在接收波束之后修改几何相位。

可以利用一对Dove棱镜，来在接收波束之后修改几何相位，这一对棱镜彼此错开一定的角度。该角度可以是绕着波束方向。

模态可以是单一模或多个模的混合。

信号和参考分量的模态可以是轨道角动量模态。因此，调制可以是用数据来对波束的信号分量的轨道角动量状态进行调制。

可以使用与用来生成高阶轨道角动量分量的光栅对应的2D光栅来除去该分量。

可以通过将波束分为两个波束，对每个波束进行空间滤波来选择分量，将选择的分量重新组合来重新形成波束，来将信号和参考分量与其他分量分离开。

该方法可以包括向信号分量施加随机模态变化，或者施加信号与参考分量之间的随机相对相位变化。该方法可以包括，在信号分量的几何相位上调制了数据的情况下从接收器接收波束之前，将包括具有随机变化的信号分量的波束发送到接收器。因此可以把波束与随机变化一起发送到接收器，并与该随机变化和几何相位调制一起从接收器接收回来。该方法还可以包括从信号分量中除去该随机变化。因此，除去随机变化暴露出几何相位。

本发明的第三方面提供一种将数据加密到电磁波束中的设备，包括：

多个光学元件，设置来在电磁波束中生成参考分量和具有模态的信号分量，其中信号分量易受几何相位的累积；

多个光学元件，设置来将信号分量的模态从第一模态转换为第二模态，从第二模态转换为至少一个其它模态，然后回到第一模态；以及

调制器，连接到至少其中一个光学元件，设置来用数据对信号分量的模态进行调制。

可以使用2D光栅生成信号和/或参考分量。光栅可以是计算机生成的全息图。光栅可以包括一个或多个相位行错位。

该设备可以包括分束器，设置来将波束分离为两个波束；滤波器，用于对每个波束进行空间滤波，来选择分量；以及分束器，用于将选择的分量进行重新组合，来重新形成波束。

该设备可以包括多个光学元件，设置来改变信号分量的轨道角动量状态，所述元件包括一对具有平行轴的柱面透镜。

该设备可以包括第二对具有平行轴的柱面透镜。

该设备可以包括多个光学元件，设置来改变信号分量的轨道角动量状态，所述元件包括一对Dove棱镜，这一对棱镜彼此错开一定的角度。该角度可以是绕着波束方向。

该设备可以包括调制器电路，设置来驱动波束路径中的光学元件，从而通过被该调制器驱动的元件的移动来对波束的信号分量的模态进行调制。

该设备可以包括随机相位生成器，其连接到设备内的光学元件，该元件被设置为对信号分量施加随机模态变化，或施加信号与参考分量之间的随机相对相位变化。

该设备可以包括光环行器。

该设备可以进一步包括用于从波束中解密数据的设备。

本发明的第四方面提供一种用于从电磁波束中解密数据的设备，包括：用于接收包含参考分量和具有模态的信号分量的电磁波束的装置，其中信号分量易受几何相位的累积，该波束沿路径传输，在该路径的至少一部分上，通过使信号分量的模态从第一模态转换为第二模态，从第二模态转换为至少一个其它模态，然后回到第一模态，从而该信号分量累积几何相位，利用数据对累积几何相位进行了调制；

多个光学元件，设置来改变信号分量的模态；以及

解调器，设置来将信号分量的总相位与参考分量的总相位进行比较，从而提取出调制。

该用于解密的设备可以包括用于将数据加密到波束中的设备中适用的光学元件的任何适当组合。

可以通过光纤将该解密设备连接到加密设备。

该解密设备可以包括检测器，设置来检测光纤中出现的轨道角动量模之间的干涉导致的干涉图案。可以使用2D光栅使信号分量退化(即，还原为基本模)。光栅可以是计算机生成的全息图。光栅可以包括一个或多个相位行错位。

该设备可以包括多个光学元件，设置来改变信号分量的轨道角动量状态，所述元件包括一对具有平行轴的柱面透镜。

该设备可以包括多个光学元件，设置来改变信号分量的轨道角动量状态，所述元件包括一对Dove棱镜，这一对棱镜彼此错开一定的角度。该角度可以是波束的方向。

该设备可以包括第二对具有平行轴的柱面透镜。

该设备可以包括调制器电路，设置来驱动波束路径中的光学元件，从而通过被该调制器驱动的元件的移动，来对信号分量的轨道角动量状态进行调制。

该设备可以包括多个光学元件，设置来将信号分量和参考分量组合为单个模。

该设备可以包括反馈环，该反馈环可以从解密数据检测器和随机相位生成器接收输入，其可以连接到设备内的光学元件，该元件被设置为取消信号分量的随机轨道角动量状态变化，或信号与参考分量之间的随机相对相位变化。

本发明的第五方面提供一种从电磁波束中解密数据的方法，包括(i)接收具有第一轨道角动量模和第二轨道角动量模的电磁波束，该波束沿路径传输，在该路径的至少一部分上，至少一个轨道角动量模累积几何相位，利用数据对第一轨道角动量模的几何相位进行了调制，以及(ii)将第一轨道角动量模的总相位与第二轨道角动量模的总相位比较，从而提取出几何相位调制。

本发明的第六方面提供一种传输加密数据的方法，包括：

(1)生成含有第一轨道角动量分量和第二轨道角动量分量的波束；

(2)向波束添加轨道角动量分量之间的随机或数据状差分相位；

(3)将波束发送到数据加密人员；

(4)从该人员接收回波束；

(5)对所添加的差分相位和步骤(3)与(4)之间累积的任何与路径有关的相位差的组合进行补偿，从而对两个模之间的相位进行平衡和均衡；

(6)再从所述人员接收波束，该波束现在含有所述人员在波束上作为轨道角动量分量之间的附加数据差分(几何)相位而加密的数据；

(7)重复步骤(5)的补偿，由此作为轨道角动量分量之间的残余相位差而提取数据。

可以并行执行步骤(1)到(7)的一个或多个，例如，可以并行执行步骤(5)、(6)或(7)。

容易想到关于本发明的方法描述的本发明的特征同样可应用于本发明的设备，反之亦然，类似地关于加密描述的本发明的特征同样可应用于解密，反之亦然(在两种情况下，都除非根据本领域技术人员的常识可判断为不是这样)。

附图说明

现在参考附图，只以示例的方式详细描述本发明的示范性实施例，其中：

图1是Stokes空间中的Poincaré球；

图2是轨道角动量模的Poincaré球；

图3是用于生成具有可测量几何相位的光束的现有技术量子计算装置；

图4更详细地示出了图3的装置的一部分，该部分用于向图5(a)的部分生成的轨道角动量模添加几何相位；

图5(a)更详细地示出了图3的装置的模生成部分，图5(b)示出了该模生成部分中使用的计算机生成的全息图光栅；

图6是根据本发明第一实施例的加密装置；

图7是根据本发明第二实施例的加密装置；

图8是根据本发明第三实施例的加密装置；

图9更详细地示出了图8的装置的模退化部分，包括(嵌入有)该模退化部分中使用的计算机生成的全息图光栅；

图10是根据本发明第四实施例的加密装置；

图11是根据本发明第五实施例的加密装置；

图12是根据本发明第六实施例的加密装置；

图13是根据本发明第七实施例的加密装置；以及

图14是根据本发明第八实施例的加密装置。

具体实施方式

第一实施例(图6)在第一(发射器)端采用与Galvez描述的设备(图3)类似的设备。然而，该设备进一步包括调制器电路120，用于驱动第一Dove棱镜70的致动器，由此根据待加密的数据110改变棱镜70的角度θ/2，这就对光束的对几何相位敏感的轨道角动量分量(信号分量)的方位相位进行了调制。因此，通过第一Dove棱镜70的适当的旋转，将用于加密的数据相位调制到LG₀ ⁺¹模。

也可以根据要求旋转第二平行透镜对90。

将调制后的LG₀ ⁺¹模和参考模LG₀ ⁰耦合到合适的多模光纤130中，并通过光纤130发送到远端的接收器50’。在该示例中，将光纤130的接收器端出现的光直接成像到光电二极管或CCD摄像器上(通过与Galvez量子计算设置类似的方式，虽然当然在该设备中没有调制器或传输光纤)。通过观察LG₀ ⁰和LG₀ ⁺¹模的叠加导致的干涉图案的相对旋转，导出在发射器处向信号轨道角动量分量添加的几何相位(包括调制)。

在以下描述的本发明的实施方式中，驱动第一Dove棱镜70并且根据需要也驱动第二透镜对90的调制器120再次将数据信号110调制到传输光的几何相位上。然而，为了方便说明，没有在对应附图中示出数据信号110和调制器120。当然，本领域技术人员会理解，在本发明的其他实施方式中，可以将调制器设置为驱动系统的其他组件，来对波束的轨道角动量状态进行调制。因此，调制器可以驱动第一对柱面透镜60、第二Dove棱镜80、或第二对柱面透镜90，或者功能等同组件，例如光纤中或集成光学器件中的功能等同组件。

在本发明的第二实施例(图7)中，加入了进一步的保护。在其发射器端，设备与第一实施例的设备相同。然而，在光纤130的接收器端设置了用于添加几何相位的第二部分140。

在第二部分中，两个分量通过柱面透镜和Dove棱镜对的第二集合。接收器可以“取消”在发射器端向LG₀ ⁺¹模施加的几何相位调制。再次，将所得到的LG₀ ⁰和LG₀ ⁺¹模直接成像到光电二极管或CCD摄像器上，观察所得到的干涉图案的相对旋转。如果实现了几何相位的完美“取消”，则应当观察不到干涉图案的旋转。然而，如果存在任何窃听企图(例如，通过渐消场耦合，或引入中间接头)，则与LG₀ ⁰模相比会向LG₀ ⁺¹模施加附加的相位变化。在该情况下，会发现在接收器端不再可以简单地抵消两个模之间的相位差，存在试图窃听的证据。

在本发明的第三实施例(图8)中，在其发射器端，设备再次与第一实施例的设备相同。然而，在接收器端设置了用于使轨道角动量模退化的第二部分160(与部分30类似)(图9)。在部分160中，将来自光纤130的接收器端的光成像到最初用于生成光的两种模的CGH的副本上。第二CGH通过与第一CGH相同的方式对光进行衍射，将所得到的衍射阶照射到功率分束棱镜BS3上。再次使用光阑来选择特定的衍射阶，第一路径选择LG₀ ⁰模的未衍射第0阶，而第二路径选择LG₀ ⁺¹模的第-1阶。通过选择LG₀ ⁺¹模的第-1阶，CGH现在用来将LG₀ ⁺¹模转换回最低阶LG₀ ⁰；即通过CGH施加的OAM的-1电荷(charge)抵消原始LG₀ ⁺¹模所具有的OAM的+1电荷。因此现在存在两个空间相同LG₀ ⁰模，但是具有不同相位。将反射镜M3(或M4)置于可变伸缩结构中，从而可以改变原始LG₀ ⁰模的光路，使其相位复原，但具有新的LG₀ ⁰(先前是LG₀ ⁺¹)模。然后在分束器BS4处将两个模重新组合，然后将其会聚到光电二极管上，导出它们之间的相对相位。

在至此描述的所有实施例中，在光束进入光纤130之前，在发射器端向光束添加几何相位。虽然在那些结构中很难窃听，但是由于上述原因，在第四实施例(图10)中提供进一步的保护。在该实施例中，与Poincaré球表面上的闭合轮廓轨迹相关的几何相位一部分在发射器端获得，一部分在接收器端获得。而在之前的实施例中，在发射器处通过几何相位对LG₀ ⁺¹模进行调制，然后与参考LG₀ ⁰模一起发送到接收器，这里只有LG₀ ⁺¹模实际到达接收器后，才累积与LG₀ ⁺¹模相关的几何相位。

在该实施例中，系统的发射器端再次包括用于生成轨道角动量模的部分30，但是其只具有先前构成用于添加几何相位的部分40的四个组件中的三个，即，第一柱面透镜对60、第一Dove棱镜70和第二Dove棱镜80。没有第二柱面透镜对。

在接收器端，提供了几何相位部分40的四个元件中的三个，这次是第三Dove棱镜70’、第四Dove棱镜80’和第二柱面透镜对90’(即，和前面一样，用于检测添加的几何相位的部分50)。

因此，考虑沿Poincaré球的轨迹，LG₀ ⁺¹模开始于南极，柱面透镜对60与Dove棱镜70、80的组合导致该轨迹到达赤道上的点。所得到的<HG₀₁cosθ+HG₁₀sinθ>模然后沿光纤130传输，其中作为例如折射率变化，光纤纠缠、扭绞和扭转等的光纤扰动的结果，Hermite-Gaussian模混合(如角度θ描述的)随机地变化(注意，然而，这样的效果必须是系统性的，特别是对两种Hermite-Gaussian模在光纤的延长长度上变得明显彼此异相，到达90度异相，从而将模转换为Laguerre-Gaussian模)。

在到达接收器时，柱面透镜对90’导致模转换回LG₀ ⁺¹模，闭合轮廓。LG₀ ⁺¹模然后累积几何相位和相关立体角，几何相位根据Poincaré球表面上其轨迹的总几何变化而变化。当<HG₀₁cosθ+HG₁₀sinθ>模穿过光纤130时，其累积附加的与路径有关的相位；然而，由于共同传播的LG₀ ⁰模精确遵循相同路径，因此其也累积相同的与路径有关的相位；因而，在到达接收器时两个模之间的相位差只是几何相位。必须将链路的接收器端的柱面透镜对90’旋转适当角度，π/4+θ，以正确闭合Poincaré球轮廓并且获得正确的几何相位。Dove棱镜因此用来平衡在发射器处引入的几何相位。棱镜的角度是数据的测量，应当精确地取消引入的几何相位。注意只在接收器端生成正确的几何相位，因此给潜在窃听者带来进一步的问题。

与图8类似，第五实施例(图11)在接收器端具有可选的设置，其中在检测部分50’之前、柱面透镜对90’之后，在接收器端提供用于生成轨道角动量模的第二部分160(与部分30类似)。如图8的实施例中，在检测部分50’处与共同传播的LG₀ ⁰模发生干涉之前，将LG₀ ⁺¹模转换回LG₀ ⁰模。干涉图案由条纹构成，明暗条纹的相对横向位置表示两个模之间的相对相位。

窃听者可以提前知道采用了差分几何相位加密，所以使用接收器的复制品来尝试“读取”几何相位。然而，存在至少两个待解决的障碍：(1)在发送方(在密码系统中通常称为Alice)与接收方(在密码系统中通常称为Bob)之间采用适当“协议”，导致进一步的加密(如后面所述)；以及(2)在物理上，只要一定距离内光纤没有断开，窃听者就必须使用侧壁渐消接头(side-wall evanescent tapping)技术来取出一部分信号。与光纤的柱面对称相比，侧壁接头在几何上本质是不对称的，从而在过程中会破坏光模的很多关键属性。例如，由于侧壁接头过于不对称，因此从接头出来的光会被确定为单HG模，HG₀₁或HG₁₀(根据侧壁接头的空间位置)，因此毁坏了<HG₀₁cosθ+HG₁₀sinθ>模混合(如θ描述的)。此外，在两个分量之间(即，<HG₀₁cosθ+HG₁₀sinθ>模和共同传播的LG₀ ⁰模)存在大量混合，从而使得窃听者很难区分他们。应当注意，窃听因此也对两个向前传播的模导致大量扰动，从而在接收器端很清楚知道在之间某处出现很大干扰，存在窃听袭击。

即使窃听者能够“清除”所得到的光信号并且取出两个传输模的合理的原型，并且通过接收器的复制品对其进行传送，也仍然存在协议需要解决。

与BB84协议类似，可以通过改变“基础”，来向发射器与接收器之间的通信添加进一步的复杂度。例如，可以采用空间光调制器(SLM)产生并且动态改变用来在发射器处对光进行衍射的CGH。根据使用的CGH，高阶“电荷”可以用来产生高阶LG模，即，LG₀ ^±m，其中m表示CGH施加的带电程度。这是可能的，因为Poincaré球的对称性对于这样的高阶LG模也是成立的，并且平行柱面透镜与Dove棱镜的组合也可以类似地用来对LG₀ ^±m模施加几何相位。在此情况下，如图11所示在接收器端，使用第二SLM来显示具有特定电荷的CGH。只要接收器端的CGH与发射器的CGH匹配，LG₀ ^±m模就会被转换回LG₀ ⁰模。转换后的模然后可以直接与发送的LG₀ ⁰模产生干涉，由于所得到的干涉图案，可以容易地确认其相对相位差(由于几何相位引起的)。根据相对相位，干涉图案会表现出一定程度的方位角旋转。CGH基也会分别在发射器和接收器端随机变化。只有那些在两个CGH为相同电荷时进行的测量才是有效的，并可以用来确定待传输的信息(密钥)。Bob(接收器)公开地向Alice(发射器)宣告他使用哪些电荷基(charge base)来进行测量，来实现这一点。Alice将那些基与她使用的基进行比较，并且她公开宣示他进行的哪些测量是有效的。

替代或同时变化CGH上的电荷，可以在发射器和接收器端将CGH方位旋转随机角度；这导致接收器端的干涉图案的相对旋转，所以附加地遮掩几何相位。再次，Bob公开地向Alice宣告他使用哪个方位旋转，Alice将那些旋转与她采用的旋转进行比较，并且她公开地向他宣告他进行的哪些测量是有效的。

在本发明的第六实施例(图12)中，希望进行通信的其中一个人(Bob)使用传输和接收设备两者，从另一个人(Alice)开始建立单向加密连接。Bob具有轨道角动量模生成部分30，其中如前生成两个轨道角动量模(即信号和参考分量)。向第一几何相位添加部分40’输入这些分量，第一几何相位添加部分40’再次包括第一对柱面透镜60、Dove棱镜对78、80，但是没有第二对柱面透镜。在该情况下，将Dove棱镜70连接到随机相位生成器。

在通过透镜对60、棱镜70和棱镜80之后，沿光纤130’将信号传递到另一个人Alice。Alice具有另一个几何相位添加部分40”’，其具有一对Dove棱镜70”、80”。将棱镜70”连接到用于对待加密的数据进行调制的调制器。

在通过Alice的棱镜70”、80”之后，沿第二光纤130”将信号传递回Bob。

在到达Bob时，信号进入另一个几何相位添加部分40”，这次其由两个Dove棱镜70’、80’和柱面透镜对90’组成，但是没有第一柱面透镜对；即，该部分与图11所示结构的几何相位添加部分对应。然而，通过反馈控制单元将Dove棱镜80’连接到随机相位生成器，该反馈控制单元也从CCD阵列输出的解密数据接收信号。

如前面的实施例，从几何相位添加部分出来的光传到部分50’，以利用CCD阵列检测添加的几何相位。

通过图12的设备如下完成安全数据通信的协议。

(1)Bob是参考LG₀ ⁰模和LG₀ ⁺¹模的原始源，沿光纤130’将其发送到A处的Alice。然而，Bob另外使用Dove棱镜70在LG₀ ⁰和LG₀ ⁺¹模之间添加随机(或数据状，例如，二值相位，0或π比特流)差分相位θ_rand。

(2)当两个模的光信号到达A处的Alice时，她再次沿平行光纤130”将其传输回Bob。

(3)Bob从Alice接收反射的信号，然后由于前述随机光纤扰动，在LG₀ ⁰和LG₀ ⁺¹模之间存在附加相位差，超过Bob原始施加的随机相位差。使用适当的反馈系统(也具有Bob先前施加的随机相位差的流作为前馈输入)，Bob自动地把接收端的Dove棱镜80’调节一个进一步的相位θ_FB/2，来动态地改变与LG₀ ⁺¹模相关的几何相位，来对他施加的随机相位流与累积的LG₀ ⁰和LG₀ ⁺¹模之间与路径相关的相位差的组合进行补偿，从而对两个模之间的相位进行平衡和均衡。在此情况下，根据需要也将柱面透镜对90’旋转角度π/4+θ_FB。在CCD检测器50’处直接检查并测量模之间的相位均衡，向反馈控制单元发送电反馈信号，来提供对Dove棱镜80’和柱面透镜对90’施加的附加相位角θ_FB/2的适当反馈。

(4)在将两个模反射回Bob之前，Alice现在可以通过在她的设备中使用Dove棱镜70”将附加“数据”差分(几何)相位施加到LG₀ ⁺¹模上，并且将其旋转角度θ_Data/2，将数据密钥发送到Bob。

(5)只有Bob知道他施加到LG₀ ⁺¹模上的原始随机差分相位θ_rand/2，并且光必须在整个长度上带着其随机扰动完成整个历程B-A-B，以实现与路径有关的累积相位与反馈导致的总几何相位之间的正确平衡/均衡。从接收到的两个模之间的相位差，Bob可以从接收的差分信号相位“减去”他施加的随机相位与由于光纤路径扰动引起的随机相位，从而成功地从Alice提取“数据”信号。

系统的训练(即，几何相位和与路径长度有关的相位的平衡或均衡)与来自Alice的数据传输之间的时间复用是可以的。并且，可以使用波长复用；例如，可以在与用于数据传输的波长稍微不同的波长处，利用另外的一对LG₀ ⁰和LG₀ ⁺¹模来训练系统。在该情况下，假设(如果波长足够接近)在沿光纤前行时两个波长系统经历类似的相位扰动，则用来均衡几何相位和与路径长度有关的相位的反馈数据也应用于用于数据传输的波长。

如果在Alice与Bob之间存在窃听者(Eve)，则即使Eve具有与Bob相同的接收器，当她转出一部分信号时，这部分光将不再完成完整的B-A-B路径，在几何相位和与路径有关的光纤扰动相位之间没有平衡。在该情况下，除Bob施加到信号上的随机相位θ_rand/2之外，Eve不再能够将“数据”相位与所有其他随机相位区分开。还应当注意，由于累积的相位噪声(这会更好地掩盖“数据”相位和Bob施加的随机相位)，两个模沿路径B-A-B经历越多扰动，则保护越好。

第七实施例(图13)与第六实施例类似，但是Bob在他的发送几何相位添加部分40’中没有Dove棱镜70、80；而是只具有一个柱面透镜对60。随机相位生成器(其在第六实施例中连接到Dove棱镜)连接到轨道角动量生成部分30中的反射镜M1、M2的其中一个。Bob分别通过反射镜M1或M2的任何一个的适当移动，将随机差分相位添加给LG₀ ⁰模或LG₀ ⁺¹模，从而适当地改变干涉计结构的其中一个臂中的光路长度。

在第八实施例(图14)中，使用反射结构，其中Alice通过光环行器200将光反射回Bob。在该结构中，在Bob端，光从轨道角动量生成部分30通过光环行器210，到达具有一个柱面透镜对260和一对Dove棱镜270、280的几何相位添加部分240。如前，光从那里沿光纤130到达Alice的设备，在此其通过光环行器200，并且到达具有Dove棱镜对70”、80”的几何相位添加部分40”’。光通过该棱镜对，回到光环行器200，沿光纤130返回。回到Bob的设备，光返回通过几何相位添加部分240，回到光环行器210，在光环行器210将其转换到用于检测添加的几何相位的部分50’。随机相位生成器连接到Dove棱镜270，并且向反馈控制单元提供信号，该反馈控制单元也从解密数据输出接收信号。反馈控制单元也连接到Dove棱镜270。

在其他实施例中，通过改变在发射器和接收器端使用的CGH，提供另一个自由度(因而，密码复杂度)。使用空间光调制器(SLM)来动态地改变用来衍射光的CGH。在一些实施例中，使用包含高轨道角动量电荷的CGH，来产生高阶LG模(即，LG₀ ^±m，其中m表示CGH给予的“电荷”程度)。由于Poincaré球的对称性对于这样的高阶LG模也成立，因此平行柱面透镜和Dove棱镜的组合可以类似地用来在LG₀ ^±m模上施加几何相位，该方法提供了附加的“基本”加密手段(参见G.F.Calvo，“Wignerrepresentation and geometric transformations of optical orbital angularmomentum spatial modes”，Optics Letters，30(10)，p1207，2005 for adiscussion of higher-order orbital-angular-momentum modes)。在一个示例中，再次与BB84算法类似，CGH基分别在发射器和接收器端随机变化。只有当两个CGH相同时进行的测量才是有效的，并且用来确定待发送的信息(即，密钥)。

上述实施例利用体光学元件，利用了本发明的“自由空间”实施。然而，本领域技术人员清楚可以通过等价装置进行发射器和接收器端的很多功能，例如在光纤中或在集成光学器件中实施。

本领域技术人员容易想到适当的光纤用作传输光纤；因此在本发明的一些实施方式中，例如，传输光纤是“W”光纤，其针对高阶LG模的优化传输而设计；在其他实施方式中，例如是针对等价的环形模优化的光子晶体光纤(PCF)。虽然在接收器端需要将两个模转换为彼此相同的波长，以实现成功的基于干涉的检测，但是也可以在不同的波长上传输两个模LG₀ ⁺¹和LG₀ ⁰。

在其他实施例中，由于自由空间传输也会保留模之间的相对相位，因此通过自由空间(而不是通过导波光学元件)传输光的模。本领域技术人员容易从这里描述的技术想到也可应用于微波和RF频率的无线传输。

虽然参考特定实施方式描述并说明了本发明，但是本领域技术人员容易想到本发明可以有很多这里没有具体说明的变化。以上描述了这样的变化和替换的一些示例。

在上面的说明中，提到已知、显然或可预见等同的整体或元件，像单独阐述一样在这里并入这样的等同。应当参考用于确定本发明真正范围的权利要求，应当将其解释为包含任何这样的等同。读者也能想到被描述为优选的、有利的、方便的等的本发明的整体或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。

Claims (37)

1、一种将数据加密到电磁波束上的方法，该方法包括：

提供包含参考分量和具有模态的信号分量的电磁波束，其中所述信号分量易受几何相位的累积；

沿路径传输该电磁波束，在该路径的至少一部分上，所述信号分量的模态从第一模态转变为第二模态，从第二模态转变为至少一个其它模态，然后回到第一模态，从而所述信号分量累积几何相位；以及

通过调制所述模态转变，用数据对这样累积的几何相位进行调制。

2、根据权利要求1所述的方法，其中在发射器处累积至少一部分的几何相位。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其中在接收器处累积至少一部分的几何相位。

4、根据前面的任意一项权利要求所述的方法，其中在发射器处发生所述调制，但是调制后的几何相位只在接收器处变得可测量。

5、根据前面的任意一项权利要求所述的方法，其中所述光束的所述参考分量不易受几何相位的累积。

6、根据权利要求5所述的方法，其中所述参考分量处于基本模。

7、根据前面的任意一项权利要求所述的方法，其中所述信号分量与参考分量的模态是轨道角动量模态。

8、根据权利要求7所述的方法，其中所述信号分量开始于阶数大于或等于1的Laguerre-Gaussian模，例如LG₀ ⁺¹模，在该方法中转变为Hermite-Gaussian模，例如HG₀₁模、HG₁₀模、或HG₀₁模和HG₁₀模的混合状态，并在该方法中进一步从Hermite-Gaussian模转变为Laguerre-Gaussian模，例如从HG₀₁模、HG₁₀模、或HG₀₁模和HG₁₀模的混合状态转变为LG₀ ⁺¹模。

9、根据权利要求7或8所述的方法，其中所述参考分量开始于Laguerre-Gaussian模，例如LG₀ ⁰模，并且在整个方法中保持为LG₀ ⁰模。

10、根据权利要求7到9中任意一项所述的方法，其中通过(i)第一对具有平行轴的柱面透镜，(ii)至少一对Dove棱镜，以及(iii)第二对具有平行轴的柱面棱镜，来累积所述几何相位。

11、根据权利要求7到10中任意一项所述的方法，其中使用设置来驱动波束路径中的光学器件的调制器电路，从而通过被该调制器驱动的器件的移动来对信号分量的轨道角动量状态进行调制，来实现轨道角动量模态的调制。

12、一种从电磁波束中解密数据的方法，该方法包括：

(i)接收包含参考分量和具有模态的信号分量的电磁波束，其中该信号分量易受几何相位的累积，所述波束沿路径传输，在该路径的至少一部分上，所述信号分量的模态从第一模态转变为第二模态，从第二模态转变为至少一个其它模态，然后回到第一模态，从而所述信号分量累积几何相位，通过所述模态转变的调制，用数据对累积的几何相位进行调制；以及

(ii)将信号分量的总相位与参考分量的总相位进行比较，从而提取出所述调制。

13、根据权利要求12所述的方法，其中通过将波束会聚到检测器上并且观察两个分量之间的干涉导致的干涉图案，来提取出所述调制。

14、根据权利要求12或13所述的方法，其中按照与加密阶段对光学元件进行的朝向改变互补的方式改变相应元件的朝向，来除去累积的几何相位。

15、根据权利要求12到14中任意一项所述的方法，其中通过(i)第一对具有平行轴的柱面透镜，(ii)一对Dove棱镜，以及(iii)第二对具有平行轴的柱面透镜，在解密之前除去累积的几何相位。

16、根据权利要求12到15中任意一项所述的方法，其中通过将所述波束分为两个波束，对各个波束进行空间滤波来选择分量，将选择的分量重新组合来重新形成波束，来把所述信号和参考分量与其它分量区分开。

17、一种用于将数据加密到电磁波束上的设备，其包括：

多个光学元件，设置来在电磁波束中生成参考分量和具有模态的信号分量，其中所述信号分量易受几何相位的累积；

多个光学元件，设置来把信号分量的模态从第一模态转变为第二模态，从第二模态转变为至少一个其它模态，然后回到第一模态；以及

调制器，其连接到所述光学元件中的至少一个，设置来用数据对所述信号分量的模态进行调制。

18、根据权利要求17所述的设备，其中使用2D光栅生成所述信号分量和/或所述参考分量。

19、根据权利要求17或18所述的设备，其包括：

分束器，该分束器被设置来将所述波束分离为两个波束；

滤波器，其用于对各个波束进行空间滤波，以选择分量；以及

分束器，其用于将选择的分量进行重新组合，来重新形成波束。

20、根据权利要求17到19中任意一项所述的设备，其包括：

多个光学元件，其被设置来改变信号分量的轨道角动量状态，所述元件包括一对具有平行轴的柱面透镜。

21、根据权利要求20所述的设备，其进一步包括第二对具有平行轴的柱面透镜。

22、根据权利要求17到21中任意一项所述的设备，其包括：

多个光学元件，其被设置来改变信号分量的轨道角动量状态，所述元件包括彼此错开一定角度的一对Dove棱镜。

23、根据权利要求17到22中任意一项所述的设备，其包括：

调制器电路，其被设置来驱动波束路径中的光学元件，从而通过被该调制器驱动的元件的移动来对波束的信号分量的模态进行调制。

24、根据权利要求17到23中任意一项所述的设备，其包括：

随机相位生成器，其连接到该设备内的光学元件，该元件被设置为对信号分量施加随机模态变化或施加信号分量与参考分量之间的随机相对相位变化。

25、根据权利要求17到24中任意一项所述的设备，其包括用于从波束中解密数据的装置。

26、一种用于从电磁波束中解密数据的设备，该设备包括：

用于接收包含参考分量和具有模态的信号分量的电磁波束的装置，其中所述信号分量易受几何相位的累积，该波束沿路径传输，在该路径的至少一部分上，所述信号分量的模态从第一模态转变为第二模态，从第二模态转变为至少一个其它模态，然后回到第一模态，从而所述信号分量累积几何相位，用数据对该累积的几何相位进行了调制；

多个光学元件，设置来改变信号分量的模态；以及

解调器，设置来将信号分量的总相位与参考分量的总相位进行比较，从而提取出调制。

27、根据权利要求26所述的设备，其中通过光纤将该解密设备连接到加密设备。

28、根据权利要求26或27所述的设备，其中该解密设备包括检测器，该检测器被设置来检测从光纤出来的轨道角动量模之间的干涉导致的干涉图案。

29、根据权利要求26到28中任意一项所述的设备，其中使用2D光栅使信号分量退化。

30、根据权利要求26到29中任意一项所述的设备，其中该解密设备包括多个光学元件，其被设置来改变信号分量的轨道角动量状态，所述元件包括一对具有平行轴的柱面透镜。

31、根据权利要求28所述的设备，其中该解密设备进一步包括具有平行轴的第二对柱面透镜。

32、根据权利要求26到31中任意一项所述的设备，其中该解密设备包括多个光学元件，其被设置来改变信号分量的轨迹角动量状态，所述元件包括彼此错开一定角度的一对Dove棱镜。

33、根据权利要求26到32中任意一项所述的设备，其中该解密设备包括调制器电路，其被设置来驱动波束路径中的光学元件，从而通过被该调制器驱动的元件的移动，来对信号分量的轨道角动量状态进行调制。

34、根据权利要求26到33中任意一项所述的设备，其中该解密设备包括设置来将信号分量和参考分量组合为单个模的多个光学元件。

35、根据权利要求26到34中任意一项所述的设备，其中该解密设备包括反馈环，该反馈环从解密数据检测器和随机相位生成器接收输入，连接到该解密设备内的光学元件，该元件被设置为取消信号分量的随机轨道角动量状态变化，或取消信号分量与参考分量之间的随机相对相位变化。

36、一种从电磁波束中解密数据的方法，该方法包括：

(i)接收具有第一轨道角动量模和第二轨道角动量模的电磁波束，该波束沿路径传输，在该路径的至少一部分上，至少一个轨道角动量模累积几何相位，用数据对第一轨道角动量模的几何相位进行了调制，以及

(ii)将第一轨道角动量模的总相位与第二轨道角动量模的总相位进行比较，从而提取出几何相位调制。

37、一种传输加密数据的方法，该方法包括：

(1)生成包括第一轨道角动量分量和第二轨道角动量分量的波束；

(2)向波束添加轨道角动量分量之间的随机或数据状差分相位；

(3)将波束发送到数据加密人员；

(4)从该人员接收回波束；

(5)对添加的差分相位和步骤(3)与(4)之间累积的任何与路径有关的相位差的组合进行补偿，从而对两个模之间的相位进行平衡和均衡；

(6)进一步从该人员接收波束，该波束现在包括该人员在波束上作为轨道角动量分量之间的附加数据差分(几何)相位而加密的数据；

(7)重复步骤(5)的补偿，由此作为轨道角动量分量之间的残余相位差而提取数据。

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