CN102857318B - 一种涡旋光束强度复用通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种涡旋光束强度复用通信系统，涉及用光通信作为传输路径的电通信系统，是两个拓扑电荷数的低阶涡旋光束强度复用，包括第一信号源、第二信号源、第一功率放大器、第二功率放大器、拓扑电荷数低阶涡旋光束发射器、拓扑电荷数低阶涡旋光束发射器、耦合器、传输介质、5个涡旋光束探测器及其固定架、第一开关电路、第二开关电路、第一显示电路和第二显示电路；该系统采用设置发射涡旋光束的强度、放置5个涡旋光束探测器、两个开关电路和显示电路，实现了两个拓扑电荷数的低阶涡旋光束复用通信，克服了现有技术在实现光束轨道角动量态复用中，使用的器件多、结构复杂和不容易小型集成化的缺点。

Description

一种涡旋光束强度复用通信系统

技术领域

本发明的技术方案涉及用光通信作为传输路径的电通信系统，具体地说是一种涡旋光束强度复用通信系统。

背景技术

光学涡旋具有螺旋式相位结构，携带的轨道角动量，包含奇异点，在径向出现极大值，光学涡旋的研究形成了新的奇异光学分支，并在量子光学和自由空间光通信等诸多领域有着广泛的应用。目前，本领域研究人员注重对涡旋光束的产生方法和传输过程，通过空间光调制器、螺旋相位板、全螺旋光纤和多模光纤来产生不同阶数的涡旋光束进行研发。CN202110376U公告了采用反射式空间光调制器产生螺旋桨式旋转光束装置；CN101726868A公开了实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置，其中采用偏振分光棱镜、四分之一波片和可旋转的波罗棱镜将光束分解成两个自由旋转垂直的偏振光束分量；2011年光学学报（31(6)，2011(6)：0622001-1～0622001-5）报道了贝塞尔调制螺旋相位片微光学，实现了透射率在相位结构边缘处为零，大幅度消除再现光学旋涡光束的旁瓣。上述公开的现有技术存在的问题是：在实现光束轨道角动量态复用中，使用的器件多、结构复杂和不容易小型集成化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种涡旋光束强度复用通信系统，是两个拓扑电荷数l＝0，1的低阶涡旋光束强度复用，该系统设置发射涡旋光束的强度，放置5个涡旋光束探测器、两个开关电路和显示电路，实现了复用两个拓扑电荷数l＝0，1的低阶涡旋光束分离，克服了现有技术在实现光束轨道角动量态复用中，使用的器件多、结构复杂和不容易小型集成化的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种涡旋光束强度复用通信系统，是两个拓扑电荷数l＝0，1的低阶涡旋光束强度复用，包括第一信号源、第二信号源、第一功率放大器、第二功率放大器、拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器、拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器、耦合器、传输介质、5个涡旋光束探测器及其固定架、第一开关电路、第二开关电路、第一显示电路和第二显示电路；固定架所在的平面与混合涡旋光束传播方向垂直，固定架上放置的5个涡旋光束探测器设置分布为：安置在中心位置即光束传播的轴心照射位置是用于探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的第一涡旋光束探测器，另外用于调节探测拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的4个涡旋光束探测器为第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器，它们分别与第一涡旋光束探测器的中心连线呈现“+”字形状，并与第一涡旋光束探测器等间距，安置在第一涡旋光束探测器左方位置的是第二涡旋光束探测器、安置在第一涡旋光束探测器下方位置的是第三涡旋光束探测器、安置在第一涡旋光束探测器右方位置的是第四涡旋光束探测器，安置在第一涡旋光束探测器上方位置的是第五涡旋光束探测器。

上述一种涡旋光束强度复用通信系统，所述第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器的中心位置与第一涡旋光束探测器的中心位置之间的距离均为r₀=1.73×E_n0，E_n0表示拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的光斑大小。

上述一种涡旋光束强度复用通信系统，所述用于探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的第一涡旋光束探测器的大小设定为半径R₁＝0.600×E_n0，所述用于调节探测拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的4个涡旋光束探测器即第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器的大小相同和半径变化范围均为R₂＝0.48×E_n0～0.80×E_n0，E_n0表示拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的光斑大小。

上述一种涡旋光束强度复用通信系统，所述第一功率放大器的增益系数A₁与第二功率放大器的增益系数A₂之间的关系为A₂＝1.43A₁。

上述一种涡旋光束强度复用通信系统，所述传输介质为空气介质。

上述一种涡旋光束强度复用通信系统，所述的第一信号源、第一功率放大器和拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器构成发射的第一信道；第二信号源、第二功率放大器和拓扑电荷数l=1低阶涡旋光束发射器构成发射的第二信道，第一信号源输出的信号Ⅰ表示为a，第二信号源输出的信号Ⅱ表示为b，a和b是低电平信号或高电平信号，其中，低电平信号用“0”表示，高电平信号用“1”表示，它们合成为复用信号表示为（b，a），该复用信号有（0，0）、（0，1）、（1，0）和（1，1）四种形式。

上述一种涡旋光束强度复用通信系统，高电平信号下拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器输出光的波长（频率）相同。

上述一种涡旋光束强度复用通信系统，其中第一涡旋光束探测器、第一开关电路和第一显示电路用于探测和显示第一信道中的信号Ⅰ；第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器、第五涡旋光束探测器、第二开关电路和第二显示电路用于探测和显示第二信道中的信号Ⅱ。

上述一种涡旋光束强度复用通信系统，其中所涉及的器件和设备均为本技术领域所公知的，并通过商购获得。

本发明的有益效果是：本发明一种涡旋光束强度复用通信系统突出的实质性特点和显著的进步是：

（1）不采用现有技术的频率不同的频分复用或者波长不同的波分复用，而采用了涡旋光束的空间模式复用，拓展了新的复用通信技术。

（2）不采用现有技术的时分复用，而采用了涡旋光束的空间模式复用，两个拓扑电荷数l＝0，1的低阶涡旋光束同时传输和探测，拓展了新的复用通信技术。

（3）使用相同频率（波长）下，本发明能够使通信容量提高了一倍。

（4）涡旋光束在介质中的电磁场边界条件约束下，拓扑电荷数越小的低阶涡旋光束的电磁场分量在空间角出现极值数量越少，可以获得较高的增益和较低的损耗及色散，因此低阶涡旋光束更容易产生和传输，本发明选择两个拓扑电荷数l＝0，1的低阶涡旋光束作为通信的载体。

（5）使用两个低阶涡旋光束的光强直接叠加，解调时采用5个涡旋光束探测器，相比使用相干光复用解调而言，省略了偏振分光棱镜、四分之一波片和可旋转的棱镜。

（6）设置了两个开关电路及显示电路，实现复用两个低阶涡旋光束分离。

（7）使用了涡旋光束发射器和5个涡旋光束探测器，其它与通用的非相干光通信系统相同，因此现有通用的非相干光通信系统很容易升级到本发明的复用通信系统。

（8）兼顾了两个探测涡旋光的信号之间的功率和串扰噪声一致，使得两个涡旋光的信号在传输及探测中实现均衡。

（9）兼顾增加探测信号功率，降低串扰噪声，设置开关电路成功地解调出原始信号。

（10）结构简单，容易集成，具有通用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一种涡旋光束强度复用通信系统的构成示意框图。

图2为本发明系统中的5个涡旋光束探测器在其固定架上的位置分布示意图。

图3为本发明系统中的拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器输出的涡旋光束、拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器输出的涡旋光束及它们合成光束的径向空间分布示意图。

图4为本发明系统中的第一涡旋光束探测器、第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器分别探测到的第一信号源和第二信号源复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图。

图5为本发明系统中的第一涡旋光束探测器、第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器和第四涡旋光束探测器分别探测到的复用信号（0，1）光束强度的侧视图。

图6为发明系统中的第一涡旋光束探测器、第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器分别探测到的复用信号（1，0）光束的强度的空间分布视图。

图7为本发明系统中的第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器和第四涡旋光束探测器分别探测到的复用信号（1，0）光束强度的侧视图。

图8为本发明系统中的第一涡旋光束探测器、第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器分别探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图。

图9为本发明系统中的第一涡旋光束探测器、第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器和第四涡旋光束探测器分别探测到的复用信号（1，1）的光束强度分布的侧视图。

图中，1.固定架，201.第一涡旋光束探测器，202.第二涡旋光束探测器，203.第三涡旋光束探测器,204.第四涡旋光束探测器,205.第五涡旋光束探测器，301.对应复用信号（0，1）的拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器上产生并输出的第一束涡旋光束的径向空间分布曲线，302.对应复用信号（1，0）的拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器上产生并输出第二束涡旋光束的径向空间分布曲线，303.对应复用信号（1，1）的两束涡旋光束通过耦合器进行强度叠加形成混合涡旋光束的径向空间分布曲线，401.第一涡旋光束探测器探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图，402.第二涡旋光束探测器探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图，403.第三涡旋光束探测器探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图，404.第四涡旋光束探测器探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图，405.第五涡旋光束探测器探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图，501.第一涡旋光束探测器探测到的复用信号（0，1）光束强度分布的侧视图，502.第二涡旋光束探测器探测到的复用信号（0，1）光束强度分布的侧视图，503.第三涡旋光束探测器探测到的复用信号（0，1）光束强度分布的侧视图，504.第四涡旋光束探测器探测到的复用信号（0，1）光束强度分布的侧视图，601.第一涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图，602.第二涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图，603.第三涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图，604.第四涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图，605.第五涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图，702.第二涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，0）光束强度分布的侧视图，703.第三涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，0）光束强度分布的侧视图，704.第四涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，0）光束强度分布的侧视图，801.第一涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图，802.第二涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图，803.第三涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图，804.第四涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图，805.第五涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图，901.第一涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，1）光束强度分布的侧视图，902.第二涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，1）光束强度分布的侧视图，903.第三涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，1）光束强度分布的侧视图，904.第四涡旋光束探测器探测到的复用信号（1，1）光束强度分布的侧视图；

图中坐标单位的中文含义是，I₀为涡旋光束的光强，a.u.为光强的相对单位，r为极坐标系下径向分量，E_n0为拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器输出的涡旋光束的光斑大小，I_r为涡旋光束探测器探测到的涡旋光束的光束强度，x为探测平面的坐标，y为探测平面的坐标。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明一种涡旋光束强度复用通信系统由第一信号源、第二信号源、第一功率放大器、第二功率放大器、拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器、拓电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器、耦合器、传输介质、5个涡旋光束探测器及其固定架1、第一开关电路、第二开关电路、第一显示电路和第二显示电路构成。第一信号源输出的信号Ⅰ经过第一功率放大器加载在拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器上产生并输出第一束涡旋光束；第二信号源输出的信号Ⅱ经过第二功率放大器加载在拓扑电荷数l＝1涡旋光束发射器上产生并输出第二束涡旋光束；这两束涡旋光束通过耦合器进行强度叠加形成混合涡旋光束，该混合涡旋光束包含了第一信号源输出的信号Ⅰ与第二信号源同时输出的信号Ⅱ组成的复用信号用；混合涡旋光束通过传输介质传播，照射到固定架上放置的5个涡旋光束探测器；其中，用于探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的第一涡旋光束探测器201探测的信号经过第一开关电路判断出探测到的信号为高电平“1”或低电平“0”，并由第一显示电路显示出第一信号源输出的信号Ⅰ；用于调节探测拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测的信号求和后经过第二开关电路判断出探测到的信号为高电平“1”或低电平“0”，并由第二显示电路显示出第二信号源输出的信号Ⅱ。

图2所示实施例表明，固定架1上放置的5个涡旋光束探测器设置分布为：安置在中心位置即光束传播的轴心照射位置的是第一涡旋光束探测器201，其它4个涡旋光束探测器分别与第一涡旋光束探测器的中心连线呈现“+”字形状，并与第一涡旋光束探测器等间距，安置在第一涡旋光束探测器201左方位置的是第二涡旋光束探测器202、安置在第一涡旋光束探测器201下方位置的是第三涡旋光束探测器203、安置在第一涡旋光束探测器201右方位置的是第四涡旋光束探测器204，安置在第一涡旋光束探测器201上方位置的是第五涡旋光束探测器205；第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205的中心位置与第一涡旋光束探测器201的中心位置之间的距离均为r₀，r₀＝1.73×E_n0，E_n0表示拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的光斑大小。

固定架1所在的平面与混合涡旋光束传播方向垂直，位于固定架1中心位置的第一涡旋光束探测器201探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器上产生并输出的第一束涡旋光束的强度，会受到拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器上产生并输出的第二束涡旋光束的串扰，位于第一涡旋光束探测器201周围的第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器上产生并输出的第二束涡旋光束的强度，同样会受到拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器上产生并输出的第一束涡旋光束的串扰，为此，设定探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的第一涡旋光束探测器201的大小为半径R₁＝0.600×E_n0，所述调节探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的4个涡旋光束探测器即第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205的大小相同和半径变化范围均为R₂＝0.48×E_n0～0.80×E_n0，E_n0表示拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的光斑大小，这样使得位于中心位置的第一涡旋光束探测器201所探测的高电平下拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束信号强度与周围的第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205所探测的拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束信号强度相等，所探测到的涡旋光束信号功率大于发射拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束输出的归一化功率的50%，并且与来自对方的串扰噪声接近，探测两个信道的串扰噪声与信号比小于6%，对应探测两个信道的信噪比大于12.2dB，即探测各自拓扑电荷数的涡旋光束的功率及串扰噪声平衡。

图3分别显示了拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的径向空间分布。两束涡旋光束分别来自两个涡旋光束发射器所产生的非相干光，因此它们要经过耦合器通过强度混合在一起。图3中的对应复用信号（0，1）的拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器上产生并输出的第一束涡旋光束的径向空间分布曲线301表明，当第一信号源传输高电平号和第二信号源输出低电平时，耦合器、传输介质和5个涡旋光束探测器中只有拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束；图3中的对应复用信号（1，0）的拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器上产生并输出第二束涡旋光束的径向空间分布曲线302表明，当第一信号源输出低电平和第二信号源输出高电平时，耦合器、传输介质和5个涡旋光束探测器中只有拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束；当第一信号源输出高电平和第二信号源同时输出高电平时，耦合器中合成光束的径向空间分显示为图3中的对应复用信号（1，1）的两束涡旋光束通过耦合器进行强度叠加形成混合涡旋光束的径向空间分布曲线303；当两个信道均为“0”时，光路中无光束输出和传播，对应复用信号（0，0）。

图3还显示，由第二束涡旋光束的光强I_2，0的空间分布可以看出第二束涡旋光束的光强I_2，0存在现极大值，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205放置距离第一涡旋光束探测器201中心为r₀的圆上，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到的功率与（I₂₀×r）相关，因此为了保证探测到更多第二束涡旋光束的光强I_2,0光束，设计r₀＝1.73×E_n0，此时（I_2,0×r）为极大值。

实施例1

按上述图1所示实施例和图2所示实施例构建本实施例的一种涡旋光束强度复用通信系统，其中设定探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的第一涡旋光束探测器201的大小为半径R₁＝0.600×E_n0，第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器的半径均为R₂＝0.48×E_n0。

实施例2

除第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器的半径均为R₂＝0.56×E_n0之外，其他同实施例1。

实施例3

除第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器的半径均为R₂＝0.64×E_n0之外，其他同实施例1。

实施例4

除第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器的半径均为R₂＝0.72×E_n0之外，其他同实施例1。

实施例5

除第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器的半径均为R₂＝0.80×E_n0之外，其他同实施例1。

上述实施例的一种涡旋光束强度复用通信系统的复用方法是：

第一信号源、第一功率放大器和拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器构成发射的第一信道；第二信号源、第二功率放大器和拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器构成发射的第二信道，第一信号源输出的信号Ⅰ表示为a，第二信号源输出的信号Ⅱ表示为b，a和b是低电平信号或高电平信号，其中，低电平信号用“0”表示，高电平信号用“1”表示，

同时第一信号源输出的信号Ⅰ和第二信号源输出的信号Ⅱ，经过各自第一功率放大器和第二功率放大器，分别加在拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器输出涡旋光束在耦合器合成为复用信号。它们合成的复用信号表示为（b，a），该复用信号有（0，0）、（0，1）、（1，0）和（1，1）四种形式。其中，（0，0）表示第一信号源和第二信号源同时输出低电平，（0，1）表示第一信号源输出为高电平和第二信号源输出低电平，（1，0）表示第一信号源输出为低电平和第二信号源输出为高电平，（1，1）表示第一信号源和第二信号源同时输出高电平。

拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器输出光束的频率相同。

两个信号源输出的信号分别加载到第一功率放大器和第二功率放大器，两个功率放大器的信号放大倍率分别为A₁和A₂倍，这里选择A₁为基准来确定A₂，即

A₁＝1                                        (2)

两个放大信号分别驱动拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器，各自产生并输出的第一束涡旋光束的光强为I₁₀和第二束涡旋光束的光强为I_2，0，

$I_{\mathrm{1,0}}={\mathrm{aA}}_1\frac{2}{E_{n0}^2\mathrm{\π}}\exp (-2\frac{r^2}{E_{n0}^2})---\left(3\right)$

$I_{\mathrm{2,0}}={\mathrm{bA}}_2\frac{2r^2}{E_{n1}^2\mathrm{\π}}\exp (-2\frac{r^2}{E_{n1}^2})---\left(4\right)$

这里E_n0和E_n1分别表示拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的光斑和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的光斑大小，选择

E_n1＝2E_n0                                                (5)

使用拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束输出的归一化功率P₀，这里A₁＝1

$P_0=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}{I}_{\mathrm{1,0}}r\sin \mathrm{\θdrd\θ}---\left(6\right)$

拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束光强最大值集中在传播轴心方向，在光束传播轴心方向放置第一探测器201可以探测出探测平面内极坐标系下整个2π光束，而拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束最大值偏离中心，由于第一涡旋光束探测器201的中心为极坐标中心，固定架上所放置的第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205之间存在空隙，只能探测到部分角度拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的能量。因此对于探测同样能量的拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到的拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的强度相比第一涡旋光束探测器探测到的拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的强度要小，为此适当增加拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束能量，有利于对拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的探测。

经过反复实验，在本实施例的一种涡旋光束强度复用通信系统的复用通信中，选择第二功率放大器的增益系数A₂为

A₂＝1.43A1₁＝1.43                                        (7)

其中第一功率放大器的增益系数A₁＝1。

混合涡旋光束经过空气介质传播照射到固定架上的5个涡旋光束探测器，传输中的损耗只是使信号衰减，探测的信号之间相对强度不变，使用相对数值，忽略传输中的损耗。涡旋光束传播的轴心与位于5个探测器中心位置的第一涡旋光束探测器201的位置一致，第一涡旋光束探测器201探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束中心部分的光波，而第二信道中的拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束进入第一涡旋光束探测器201是对第一信道的串扰噪声，第一涡旋光束探测器201放置在涡旋光束传播的轴心，半径R₁的第一涡旋光束探测器201探测功率总的功率P_r1为

$P_{r1}=\underset{0}{\overset{R_1}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}(I_{\mathrm{1,0}}+I_{\mathrm{2,0}})r\sin \mathrm{\θdrd\θ}---\left(8\right)$

这里采用极坐标形式完成积分，第一涡旋光束探测器201探测功率P_r1分成探测第一信道的信号功率S_r1和探测第一信道受到的串扰噪声N_r1两部分，

P_r1＝S_r1+N_r1                                        (9)

第一涡旋光束探测器201探测第一信道的信号功率S_r1与来自第一束涡旋光束的光强I_1,0的关系为

$S_{r1}=\underset{0}{\overset{R_1}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}{I}_{\mathrm{1,0}}r\sin \mathrm{\θdrd\θ}---\left(10\right)$

这里选择半径R₁为（0.600×E_n0），目的是保证第一涡旋光束探测器201能够探测到高电平下拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的信号功率S_r1大于50%P₀。

第一涡旋光束探测器201探测第一信道受到的串扰噪声N_r1与来自第二束涡旋光束的光强I_2,0的关系为

$N_{r1}=\underset{0}{\overset{R_1}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}{I}_{\mathrm{2,0}}r\sin \mathrm{\θdrd\θ}---\left(11\right)$

第一涡旋光束探测器201探测第一信道受到的串扰噪声N_r1与探测第一信道的信号功率S_r1之比NSR₁为

${\mathrm{NSR}}_1=\frac{N_{r1}}{S_{r1}}---\left(12\right)$

NSR₁称为探测第一信道的串扰噪声与信号比，NSR₁与探测第一信道的信噪比SNR₁的关系为

${\mathrm{SNR}}_1={10\log }_{10}\left(\frac{1}{{\mathrm{NSR}}_1}\right)---\left(13\right)$

单位为dB。

半径均为R₂的第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205的中心分别与第一涡旋光束探测器201的中心连线呈现“+”字形状，并与第一涡旋光束探测器201等间距，即第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205分别放置在距离第一涡旋光束探测器201的中心为r₀的圆上，r₀表示第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205的放置中心位置与第一涡旋光束探测器201放置的中心位置之间的距离；第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205相邻连线构成正方形，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到第二信道的总功率P_r2为

表示第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到第二信道的总功率。

上式中，

其中 为以第一涡旋光束探测器201为中心的极坐标夹角，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205的探测总功率P_r2分成来自探测第二信道的信号功率S_r2和探测第二信道受到的串扰噪声N_r2两部分，

P_r2＝S_r2+N_r2                                        (16)

第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测第二信道的信号功率S_r2与到来自第二束涡旋光束的光强I_2,0的关系为

第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测第二信道受到的串扰噪声N_r2与来自第一束涡旋光束的光强I_1,0的关系为

探测第二信道受到的串扰噪声N_r2与探测第二信道的信号功率S_r2比NSR₂为

${\mathrm{NSR}}_2=\frac{N_{r2}}{S_{r2}}---\left(19\right)$

NSR₂称为探测第二信道的串扰噪声与信号比，NSR₂与探测第二信道的信噪比SNR₂的关系为

${\mathrm{SNR}}_1={10\log }_{10}\left(\frac{1}{{\mathrm{NSR}}_1}\right)---\left(20\right)$

单位为dB。

半径为R₂的第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205的目的是为了探测第二束涡旋光束的光强I_2,0。

表1显示第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205的不同探测器半径R₂对应的S_r1/P₀、S_r2/P₀、NSR₁及NSR₂，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205的半径大小相同，半径变化范围均为R₂＝0.48×E_n0～0.80×E_n0。由表1可见随着R₂变大和探测到探测第二信道的信号功率S_r2增加，第二信道受到的串扰噪声N_r2引起探测第二信道的串扰噪声与信号比NSR₂也同时增加，当R₂=0.64×E_n0时，S_r2/P₀与S_r1/P₀相同为0.507，即探测第一信道的信号功率S_r1和探测第二信道的信号功率S_r2均为0.507P₀，同时探测第二信道的信噪比NSR₂为0.0569接近NSR₁的0.0562；不同探测器半径R₂复用系统中，第一涡旋光束探测器201的大小固定，拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器输出的第一束涡旋光束的光强为I₁₀和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器输出的第二束涡旋光束的光强为I_2，0均不变，因此，探测第一信道的信噪比SNR₁为0.0562不变，探测第一信道的信号功率S_r1为0.507P₀也不发生变化。

表1不同探测器半径R₂对应的S_r1/P₀，S_r2/P₀，NSR₁及NSR₂

实施例序号	R2/En0	Sr1/P0	Sr2/P0	NSR1	NSR2
						实施例1	0.48	0.507	0.294	0.0562	0.0350
实施例2	0.56	0.507	0.395	0.0562	0.0445
						实施例3	0.64	0.507	0.507	0.0562	0.0569
实施例4	0.72	0.507	0.630	0.0562	0.0728
						实施例5	0.80	0.507	0.760	0.0562	0.0925

经过反复实验证明，在本发明的一种涡旋光束强度复用通信系统中，如果选择第二功率放大器的增益系数A₂过大或者过小，都会不利于涡旋光束探测器对涡旋光束的探测。例如，当A₂=1.6时，探测第一信道的信噪比NSR₁为0.07，超过探测第二信道的信噪比SNR₁，第一涡旋光束探测器201与其四周的4个涡旋光束探测器的串扰噪声不平衡；当A₂=1.2时，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测探测高电平下第二信道的信号功率S_r2为0.356P₀，小于第一涡旋光束探测器201探测第一信道的信号功率S_r1。经过多次实验发现，A₂为1.43能够实现探测第一信道受到的串扰噪声N_r1与探测第二信道的信号功率S_r2相同以及探测第二信道的信噪比SNR₂与探测第一信道的信噪比SNR₁接近。

当每个开关电路的阈值S_th均设定在探测到高电平和低电平信号强度中间位置时，第一涡旋光束探测器201探测第一信道的信号功率S_r1和第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测探测高电平下第二信道的信号功率S_r2，分别均为0.507P₀；探测第一信道的串扰噪声与信号比NSR₁和探测第二信道的串扰噪声与信号比NSR₂近似为0.06，即NSR₁≈0.0562≈0.06且NSR₂≈0.0569≈0.06，因此每个开关电路的阈值S_th如下，

$S_{\mathrm{th}}\≈\frac{1}{2}(0.507+0.507\×0.06)P_0\≈0.269P_0---\left(21\right)$

设定0.269P₀为每个开关电路的阈值S_th，根据探测到信号判断传输是高电平或者低电平，下面给出不同复用信号对应的涡旋光束的检测与显示：

（a）复用信号（0，0）的形成、传输、检测与显示

两个信号源同时输出低电平，即a=0，b=0，根据公式（3）和（4），I_1，0＝0且I_2，0=0，传输光束的能量为零，第一涡旋光束探测器201的探测功率P_r1以及第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205的探测功率之和P_r2均为0，小于各自开关电路的阈值S_th（≈0.269P₀，）认为第一信道和第二信道均传输低电平，第一显示电路和第二显示电路分别显示“0”和“0”；

（b）传输复用信号（0，1）的形成、传输、检测与显示

第一信号源输出高电平（a=1），同时第二信号源输出低电平（b=0），即拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器输出光强为零，信号Ⅰ经过第一功率放大器和拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器，通过耦合器输出的涡旋光束的径向空间分布为图3中的对应复用信号（0，1）的拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器上产生并输出的第一束涡旋光束的径向空间分布曲线301。经空气介质传输，被探测器探测的信号的空间分布如图4所示，由于只有拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束，能量主要集中在轴心，第一涡旋光束探测器201探测到的信号如图4中的第一涡旋光束探测器201探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图401所示，中心区域的信号强，而远离中心强度逐渐减弱，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测信号较弱，如图4中的第二涡旋光束探测器202探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图402、第三涡旋光束探测器203探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图403、第四涡旋光束探测器204探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图404和第五涡旋光束探测器205探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图405，四周区域的信号较弱；图5中的第一涡旋光束探测器201探测到的复用信号（0，1）光束强度分布的侧视图501、第二涡旋光束探测器202探测到的复用信号（0，1）光束强度分布的侧视图502、第三涡旋光束探测器203探测到的复用信号（0，1）光束强度分布的侧视图503和第四涡旋光束探测器204探测到的复用信号（0，1）光束强度分布的侧视图504，分别为图4中相应光束强度的空间分布视图的侧视图，第五涡旋光束探测器205探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图405被第一涡旋光束探测器201探测到的复用信号（0，1）光束强度的空间分布视图401遮挡，在图5的侧视图中无法观察到；第一涡旋光束探测器201探测功率P_r1为0.507P₀，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到第二信道的总功率P_r2为0.029P₀（≈0.0507P₀×0.569）；由于两个开关电路的阈值S_th均为0.269P₀，第一涡旋光束探测器201探测功率P_r1大于第一开关电路的阈值S_th，第一开关电路导通，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到第二信道的总功率P_r2小于第二开关电路的阈值S_th，第二开关电路无电流输出，第二显示电路和第一显示电路分别显示“0”和“1”；

（c）复用信号（1，0）的形成、传输、检测与显示

第一信号源输出低电平（a=0），第二信号源输出高电平（b=1），即拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器输出光强为零，信号Ⅱ经过第二功率放大器和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器，传输到的耦合器输出信号涡旋光束为图3中的对应复用信号（1，0）的拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器上产生并输出第二束涡旋光束的径向空间分布曲线302，经空气介质传输，被探测器探测的信号的空间分布如图6所示；由于只有拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束，能量偏离轴心；第一涡旋光束探测器201探测到的信号空间分布视图为第一涡旋光束探测器201探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图601，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到的信号空间分布视图分别为第二涡旋光束探测器202探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图602、第三涡旋光束探测器203探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图603、第四涡旋光束探测器204探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图604和第五涡旋光束探测器205探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图605，从图6可见，第一涡旋光束探测器201探测到的信号远远小于第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到的信号。图7中的第二涡旋光束探测器202探测到的复用信号（1，0）光束强度分布的侧视图702、第三涡旋光束探测器203探测到的复用信号（1，0）光束强度分布的侧视图703和第四涡旋光束探测器204探测到的复用信号（1，0）光束强度分布的侧视图704分别为图6中的相应光束强度的空间分布视图的侧视图，第一涡旋光束探测器201探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图601和第五涡旋光束探测器205探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图605被第三涡旋光束探测器203探测到的复用信号（1，0）光束强度的空间分布视图603遮挡，其侧视图在图7中无法观察到；第一涡旋光束探测器201探测功率P_r1为0.028（≈0.0507P₀×0.562），第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到第二信道的总功率P_r2为0.507P₀；设定两个开关电路的阈值S_th均为0.269P₀，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到第二信道的总功率P_r2大于第二开关电路的阈值S_th，第二开关电路导通，第一涡旋光束探测器201探测功率P_r1小于第一开关电路的阈值S_th，第一开关电路无电流输出，第二显示电路和第一显示电路分别显示“1”和“0”；

（d）复用信号（1，1）的形成、传输、检测与显示

第一信号源输出高电平（a=1），第二信号源输出高电平（b=1），信号I和信号Ⅱ分别通过各自的功率放大器和涡旋光束发射器，再通过耦合器输出信号为图3中的对应复用信号（1，1）的两束涡旋光束通过耦合器进行强度叠加形成混合涡旋光束的径向空间分布曲线303所示的信号，经空气介质传输，被探测器探测的信号的空间分布如图8所示：第一涡旋光束探测器201探测到的信号为图8中的第一涡旋光束探测器201探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图801所示的信号，第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到信号分别为图8中的第二涡旋光束探测器202探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图802所示的信号、第三涡旋光束探测器203探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图803所示的信号、第四涡旋光束探测器204探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图804所示的信号和第五涡旋光束探测器205探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图805所示的信号。图9中的第一涡旋光束探测器201探测到的复用信号（1，1）光束强度分布的侧视图901、第二涡旋光束探测器202探测到的复用信号（1，1）光束强度分布的侧视图902、第三涡旋光束探测器203探测到的复用信号（1，1）光束强度分布的侧视图903和第四涡旋光束探测器204探测到的复用信号（1，1）光束强度分布的侧视图904分别为图8中相应复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图的侧视图，第五涡旋光束探测器205探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图805被第一涡旋光束探测器201探测到的复用信号（1，1）光束强度的空间分布视图801遮挡，其侧视图在图9中无法观察。第一涡旋光束探测器201探测功率P_r1为0.536P₀，由探测第一信道的信号功率S_r1和探测第一信道受到的串扰噪声N_r1组成；第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到第二信道的总功率P_r2与第一涡旋光束探测器201探测功率近似相同，同样由探测第二信道的信号功率S_r2和探测第二信道受到的串扰噪声N_r2组成；设定两个开关电路的阈值S_th均为0.269P₀，P_r1和P_r2分别大于第一开关电路和第二开关电路的阈值S_th，第一开关电路和第二开关电路同时导通，第二显示电路和第一显示电路分别显示“1”和“1”；

根据（b）中第一信道传输高电平，第二信道传输低电平，第一涡旋光束探测器201探测功率P_r1为0.507P₀，对应来自I_1，0的探测第一信道的信号功率S_r1，在第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到第二信道的总功率P_r2为0.029P₀,对应来自I_1，0的探测第二信道受到的串扰噪声N_r2；根据（c）中第一信道传输低电平，第二信道传输高电平，在第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205探测到第二信道的总功率P_r2为0.507P₀，对应来自I_2，0的探测第二信道的信号功率S_r2，第一涡旋光束探测器201的探测功率P_r1为0.028P₀，对应来自I_2，0的探测第一信道受到的串扰噪声N_r1，第一涡旋光束探测器201与第二涡旋光束探测器202、第三涡旋光束探测器203、第四涡旋光束探测器204和第五涡旋光束探测器205分别探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束，各自的高电平探测功率相同，来探测自对方串扰噪声接近相等；在（d）中探测功率是对应（b）和（c）的线性叠加，因此所探测到的涡旋光束信号功率大于发射拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束信号输出的归一化功率P₀的50%，并且与来自对方的串扰噪声接近，探测两个信道的串扰噪声与信号比小于6%，对应探测两个信道的信噪比大于12.2dB，即探测各自拓扑电荷数的涡旋光束功率及串扰噪声平衡。

上述实施例中所涉及的器件和设备均为本技术领域所公知的，并通过商购获得。

Claims (8)

1.一种涡旋光束强度复用通信系统，其特征在于：是拓扑电荷数l＝0和拓扑电荷数l＝1的两个低阶涡旋光束强度复用，包括第一信号源、第二信号源、第一功率放大器、第二功率放大器、拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器、拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器、耦合器、传输介质、5个涡旋光束探测器及其固定架、第一开关电路、第二开关电路、第一显示电路和第二显示电路；固定架所在的平面与混合涡旋光束传播方向垂直，固定架上放置的5个涡旋光束探测器设置分布为：安置在中心位置即光束传播的轴心照射位置是用于探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的第一涡旋光束探测器，另外用于调节探测拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的4个涡旋光束探测器为第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器，它们分别与第一涡旋光束探测器的中心连线呈现“+”字形状，并与第一涡旋光束探测器等间距，安置在第一涡旋光束探测器左方位置的是第二涡旋光束探测器、安置在第一涡旋光束探测器下方位置的是第三涡旋光束探测器、安置在第一涡旋光束探测器右方位置的是第四涡旋光束探测器，安置在第一涡旋光束探测器上方位置的是第五涡旋光束探测器。

2.按照权利要求1所说一种涡旋光束强度复用通信系统，其特征在于：所述第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器的中心位置与第一涡旋光束探测器的中心位置之间的距离均为r₀＝1.73×E_n0，E_n0表示拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的光斑大小。

3.按照权利要求1所说一种涡旋光束强度复用通信系统，其特征在于：所述用于探测拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的第一涡旋光束探测器的大小设定为半径R₁＝0.600×E_n0，所述用于调节探测拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束的4个涡旋光束探测器即第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器和第五涡旋光束探测器的大小相同和半径变化范围均为R₂＝0.48×E_n0～0.80×E_n0，E_n0表示拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束的光斑大小。

4.按照权利要求1所说一种涡旋光束强度复用通信系统，其特征在于：所述第一功率放大器的增益系数A1与第二功率放大器的增益系数A₂之间的关系为A₂＝1.43A₁。

5.按照权利要求1所说一种涡旋光束强度复用通信系统，其特征在于：所述传输介质为空气介质。

6.按照权利要求1所说一种涡旋光束强度复用通信系统，其特征在于：所述的第一信号源、第一功率放大器和拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器构成发射的第一信道；第二信号源、第二功率放大器和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器构成发射的第二信道，第一信号源输出的信号Ⅰ表示为a，第二信号源输出的信号Ⅱ表示为b，a和b是低电平信号或高电平信号，其中，低电平信号用“0”表示，高电平信号用“1”表示，它们合成为复用信号表示为(b，a)，该复用信号有(0，0)、(0，1)、(1，0)和(1，1)四种形式。

7.按照权利要求6所说一种涡旋光束强度复用通信系统，其特征在于：高电平信号下拓扑电荷数l＝0低阶涡旋光束发射器和拓扑电荷数l＝1低阶涡旋光束发射器输出光的波长(频率)相同。

8.按照权利要求6所说一种涡旋光束强度复用通信系统，其特征在于：其中第一涡旋光束探测器、第一开关电路和第一显示电路用于探测和显示第一信道中的信号Ⅰ；第二涡旋光束探测器、第三涡旋光束探测器、第四涡旋光束探测器、第五涡旋光束探测器、第二开关电路和第二显示电路用于探测和显示第二信道中的信号Ⅱ。