CN101902276A - 一种基于光束轨道角动量的自由空间激光通信系统 - Google Patents
一种基于光束轨道角动量的自由空间激光通信系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种基于光束轨道角动量的自由空间激光通信系统，属于光学应用技术领域。本发明由光纤密排激光器、四个凸透镜、两个偏振片、空间光调制器、针孔光阑、扩束系统、复合二元振幅光栅、CCD探测器组成。本发明以可选通控制的光纤密排激光器作为光源，并根据光纤密排激光器出射光束分布设计了加载到空间光调制器上的相位衍射光栅，对光纤密排激光器出射的各个光束进行相位调制，使得各个光束分别有不同的衍射级位于系统中心轴上，构成一个携带光纤密排激光器选通信息的中心衍射光束，系统工作时根据待传数据对光纤密排激光器进行选通控制实现待传数据的调制加载；携带数据信息的光束在自由空间传输一定距离后，在系统接收端利用复合二元振幅光栅探测传输光束的轨道角动量态，完成通信系统传输数据的解调。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用基于光束轨道角动量的模分复用技术实现8bits及8bits以上数据信息在自由空间传输的系统，属于光学应用技术领域。
背景技术
多路复用是一种能在同一传输媒质中同时传输多路信号的技术，它使多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源、提高通信线路的利用率的目的。如波分复用(Wavelength-Division Multiplexing，WDM)，是在同一根光纤中同时传送两个或两个以上不同光波长信号，这样就可以实现在一条信道同时传送多路信号。
与此类似，我们提出基于光束轨道角动量的模分复用(Mode Division Multiplexing，MDM)，即两路或两路以上同波长、不同模式(不同轨道角动量态或其叠加组合)的螺旋光束在自由空间传输，这样的传输光束可以携带多位数据信息，大大提高了光通信系统的信道容量。而螺旋光束的轨道角动量量子数可取区间(-∞，+∞)内的任意值，即理论上利用光束轨道角动量能够承载无穷维的数据信息，这使得利用激光光束轨道角动量进行信息传输具有重要的研究价值。
近年来国外已有一些研究小组搭建了利用轨道角动量进行数据传输的光学系统，通过对光束进行相位或振幅调制实现了数据信息加载(Bouchal Z，Celechovsky R 2004 New J.Phys.21 1192；Gibson G， Courtial J，Padgett M J，Vasnetsov M，Pas′ko V， Barnett S M，Franke-Arnold S 2004 Opt.Express 12 5448)；在国内，我们实验室已搭建了光束轨道角动量态的叠加复用系统(Liu Y D，Gao C Q，Gao M W，Qi X Q，Weber H 2008 Opt.Commun.281 3636；Gao C Q，Qi X Q，Liu Y D，Weber H 2010 Opt.Express.18 72)，采用光学干涉仪的方法实现信息的调制。其中，通过改变相位或振幅调制加载信息时，调制速度受到空间光调制器刷新频率(一般为几十赫兹)的限制，而采用干涉仪方法时信息调制速度直接取决于Dove棱镜或Porro棱镜等光学元件的机械旋转速度，且对光路的调节精度要求非常高。2007年，Celechovsky等人首次对4个基模高斯光源进行相位调制实现了4个轨道角动量态的叠加复用(Celechovsky R，Bouchal Z 2007 New J.Phys.9328)。但是该方法采用四个独立的半导体激光器作为光源，其输出光束的平行精度难以保证，且受激光器外形尺寸的限制，此装置难以进一步增加复用的轨道角动量态数目。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于光束轨道角动量的自由空间激光通信系统。
本发明的是由下述技术方案实现的：
本发明的装置包括光纤密排激光器、四个凸透镜、两个偏振片、空间光调制器、针孔光阑、扩束系统、复合二元振幅光栅、CCD探测器。
所述的光纤密排激光器能够输出8路或8路以上相互平行的基模高斯光束，这些光束在光出射方向的法平面内均匀分布在一个圆周上，且光纤密排激光器能够进行选通控制，可根据待传数据控制其输出光束；所述的第一凸透镜将光纤密排激光器输出的所有光束会聚；所述的空间光调制器位于第一凸透镜的后焦平面上，同时也位于第二凸透镜的前焦平面上；第一偏振片和第二偏振片分别置于空间光调制器的入射光和透射光光路上，用以控制光的偏振态，达到最好的相位调制；所述针孔光阑位于第二凸透镜的后焦平面上，同时也位于第三凸透镜的前焦平面上，用以滤出携带信息的中心衍射光束；所述第三凸透镜将携带信息的光束准直发射出去，其与接收扩束系统之间为光束的自由空间传输链路；所述的扩束系统用于缩小接收到的光束半径；所述的复合二元振幅光栅置于第四凸透镜的前焦平面上，对传输光束的轨道角动量进行检测；所述CCD探测器位于第四凸透镜的后焦平面上，用以检测最终测量结果。
本发明提供的基于光束轨道角动量的自由空间激光通信系统由三个功能块组成，具体如下：
①「实现光纤密排激光器的选通控制
具体步骤为：对构成光纤密排激光器的每个激光器实行独立供电，通过控制各电源的开关就能够实现光纤密排激光器中各激光器的通断，且各激光器的通断相互独立。
②「对光束进行相位调制，实现基于光束轨道角动量的模分复用技术
具体步骤为：光纤密排激光器输出基模高斯光束经凸透镜会聚后入射到空间光调制器上，空间光调制器上加载的相位调制函数对各个光束进行相位调制，以生成螺旋光束并使各光束在远场衍射场中分别有不同的衍射级位于系统中心轴上，从而实现了不同轨道角动量态螺旋光束的同轴叠加，即实现了光束轨道角动量的模分复用和信息调制编码。
③「探测通信链路中传输光束的轨道角动量态，实现信息解调
具体步骤为：通信链路上的传输光束包含多路互不相干且轨道角动量态各不相同的螺旋光束，该光束入射到复合二元振幅光栅上后，其远场衍射场在与光束的轨道角动量态相对应的衍射级上将出现亮斑，根据亮斑出现的位置和复合二元振幅光栅的中心位错情况便可确定出通信链路中传输光束的轨道角动量态，进而确定出通信链路上传输的数据信息。
本发明的有益效果：
①采用光纤密排激光器作为系统光源阵列，各光源间距小且输出光束平行性好；
②该系统通过电驱动信号控制光纤密排激光器中各光源的通断以实现待传数据信息的调制加载，这种基于轨道角动量的模分复用技术，不需要不断变换空间光调制器上的调制光栅，避免了空间光调制器刷新频率对系统数据调制速度的限制。
附图说明
图1是本发明的原理图；图中，1-光纤密排激光器，2-第一凸透镜，3-第一偏振片，4-空间光调制器，5-第二偏振片，6-第二凸透镜，7-针孔光阑，8-第三凸透镜，9-扩束系统，10-复合二元振幅光栅，11-第四凸透镜，12-CCD探测器。
图2是光纤密排激光器的出光处光轴法向截面图；
图3是实现8bits数据信息传输时数据调制原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，本发明装置包括光纤密排激光器(1)、第一凸透镜(2)、第一偏振片(3)、空间光调制器(4)、第二偏振片(5)、第二凸透镜(6)、针孔光阑(7)、第三凸透镜(8)、扩束系统(9)、复合二元振幅光栅(10)、第四凸透镜(11)、CCD探测器(12)。可选通控制的光纤密排激光器(1)能够输出8路或8路以上相互平行的基模高斯光束，这些光束在光出射方向的法平面内均匀分布在一个圆周上，如图2为一种8路光束输出的光纤密排激光器出光处光轴法向截面图，包括出光尾纤(13)、陶瓷插芯(14)和填充物(15)，其中出光尾纤(13)直径为0.125mm，固定尾纤的陶瓷插芯(14)直径为1mm，尾纤纤芯中心构成的圆周直径为8mm；系统工作时可根据通信系统待传输数据控制光纤密排激光器(1)的输出光束；光纤密排激光器(1)的出射光束经第一凸透镜(2)会聚并传输经过第一偏振片(3)后入射到空间光调制器(4)上；设计相位调制函数并加载到空间光调制器(4)上，使得入射到空间光调制器(4)上的各个光束分别有不同的衍射级位于系统中心轴上，构成一个携带光纤密排激光器(1)选通信息的中心衍射光束，该过程可如图3所示；经空间光调制器(4)后的衍射光场传输经过第二偏振片(5)并由第二凸透镜(6)作光场傅立叶变换，得到远场衍射光场；之后传输经过针孔光阑(7)滤出携带信息的中心衍射光束，经由第三凸透镜(8)准直后发射出去，完成数据信息的调制发射。之后，光束在自由空间通信链路上进行传输，并最终到达数据接收端。在数据接收端，首先利用扩束系统(9)缩小接收到的光束半径；之后光束入射到复合二元振幅光栅(10)上，由于该光束包含了互不相干的多路不同轨道角动量态的螺旋光束，此处采用复合二元振幅光栅(10)探测传输光束的轨道角动量；经第四凸透镜(11)对传输经过复合二元振幅光栅(10)的衍射光场作傅立叶变换，并用CCD探测器(12)监测远场衍射图样，根据远场衍射图样中亮斑出现的位置以及所用衍射光栅的中心位错情况，可以推算出传输光束的轨道角动量态，完成对通信系统传输数据的解调。
图3为实现8bits数据信息传输时数据调制加载原理图。通过设计相位调制函数，能够实现基模高斯光束变换到携带轨道角动量的螺旋光束，如图3中基模高斯光束(a)经相位调制板(b)后衍射场光强分布为(c)；(c)中的每个衍射级位置对应光纤密排激光器(1)的各个出光位置，如图(d)；对图(d)中光纤密排激光器(1)的各个出射光束准直会聚后入射到设计好的相位调制板(f)上，图3中(f)与(d)为相同的调制板；对应的远场衍射场如图3(g)所示，虚线圈内的衍射级上将携带光源阵列中每一个光源的一个衍射级且轨道角动量态互不相同；系统工作时可根据待传输数据驱动光纤密排激光器(1)实现传输数据的加载；滤出图3(g)中虚线框内的衍射光束并发射出去，便完成了数据信息的调制。
Claims (2)
1.一种基于光束轨道角动量的自由空间激光通信系统装置，包括光纤密排激光器(1)、第一凸透镜(2)、第一偏振片(3)、空间光调制器(4)、第二偏振片(5)、第二凸透镜(6)、针孔光阑(7)、第三凸透镜(8)、扩束系统(9)、复合二元振幅光栅(10)、第四凸透镜(11)、CCD探测器(12)，其特征在于：光纤密排激光器(1)能够输出8路或8路以上相互平行的基模高斯光束，这些光束在光出射方向的法平面内均匀分布在一个圆周上，且光纤密排激光器能够进行选通控制，可根据待传数据控制其输出光束；第一凸透镜(2)将光纤密排激光器(1)输出的所有光束会聚；空间光调制器(4)位于第一凸透镜(2)的后焦平面上，同时也位于第二凸透镜(6)的前焦平面上；第一偏振片(3)和第二偏振片(5)分别置于空间光调制器的入射光和透射光光路上，用以控制光的偏振态，达到最好的相位调制；针孔光阑(7)位于第二凸透镜(6)的后焦平面上，同时也位于第三凸透镜(8)的前焦平面上，用以滤出携带信息的中心衍射光束；第三凸透镜(8)将携带信息的光束准直发射出去，其与接收扩束系统之间为光束的自由空间传输链路；扩束系统(9)用于缩小接收到的光束半径；复合二元振幅光栅(10)置于第四凸透镜(11)的前焦平面上，对传输光束的轨道角动量进行检测；CCD探测器(12)位于第四凸透镜(11)的后焦平面上，用以检测最终测量结果。
2.一种基于光束轨道角动量的自由空间激光通信技术，其特征在于：
①采用可选通控制的光纤密排激光器(1)作为光源，对构成光纤密排激光器(1)的每个激光器实行独立供电，通过控制各电源的开关就能够实现光纤密排激光器中各激光器的通断，且各激光器的通断相互独立；
②对光束进行相位调制，实现基于光束轨道角动量的模分复用技术，具体步骤为：光纤密排激光器(1)输出的多路基模高斯光束经第一凸透镜(2)会聚后入射到空间光调制器(4)上，空间光调制器(4)上加载的相位调制函数对各个光束进行相位调制，以生成螺旋光束并使各光束在远场衍射场中分别有不同的衍射级位于系统中心轴上，从而实现了不同轨道角动量态螺旋光束的同轴叠加，即实现了模分复用技术和信息调制编码；
③探测通信链路中传输光束的轨道角动量态，实现信息解码，具体步骤为：通信链路上的传输光束包含多路互不相干且轨道角量子数各不相同的螺旋光束，该光束入射到复合二元振幅光栅(10)上后，其远场衍射场在与光束的轨道角动量态相对应的衍射级上将出现亮斑，根据亮斑出现的位置和复合二元振幅光栅(10)的中心位错情况便可确定出通信链路中传输光束的轨道角动量态，进而确定出通信链路上传输的数据信息。
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