CN104144025A - 一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法，所述方法包括：多个独立的光信号源发出经过调制编码的光信号，利用耦合输出镜入射到涡旋达曼光栅上，在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束，发送给接收端；接收端将接收到的所述同轴的光束，入射到与发送端的所述涡旋达曼光栅，复共轭关系的涡旋达曼光栅上，多个出射光束经过解调制后获得所述发射端发出的多个独立的光信号，这样利用涡旋达曼光栅来复用和解复用轨道角动量信道，大大简化了系统的复杂程度，使系统对称化，增加了系统容量，并提高了能量利用率。

Description

一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法和系统

技术领域

本发明涉及轨道角动量(OAM)信道复用及解复用技术领域，特别是指一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法和系统。 

背景技术

在过去的三十年中，光通信网络已经成为了现代通信网络的基础平台，从最初的准同步数字体系(Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH)系统，到后来的同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)系统，再到波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)系统。伴随掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA)技术的成熟，密集型波分复用(DWDM)系统在目前通信系统中的运用日益广泛。现代社会对数据的传输速率和安全性能的要求越来越高。在目前的技术条件下，光纤的带宽资源(大约100nm量级)是有限的。所以从长远来看，寻求新的通信复用的媒介和方法是大势所趋。 

光学涡旋(Optical Vortices，OV)的光波前可以沿着传播方向像螺旋形状向前传播，轴上各点由于干涉相消而强度为零。这种波前经傅里叶透镜聚焦后在焦平面上可以得到一个光亮环，其中心部分呈暗斑。光学涡旋具有两个特殊的性质，一是螺旋形波前(Helical Wavefront)，另一个是相位奇点(Phase Singularity)。根据电矢量相位在一个波长内绕光轴旋转2π，即一圈，的图数l，不同的光学涡旋用不同的拓扑荷l(Topological Charge)来表征，l一般可取任意的整数。理论和实验表明，这种光波场中的每个光子的轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是确定的，为lh。理论表明，对于不同拓扑荷的光学漩涡状态之间是正交的，可以无串扰地独立进行传播，所有的光学涡旋状态(l取从 -∞到+∞的所有整数)则构成了一个标准正交基。利用光学漩涡的正交性，可以进行光学涡旋复用，或者叫轨道角动量复用(OAM-DM)。不同拓扑荷的光学涡旋可以互不干扰地作为独立信道传输信息，由于理论上l可以取任意整数，这样就能极大地提高了通信系统的容量。 

利用不同拓扑荷的光学涡旋作为信道来传送信息，在接收端就需要一种方法有效地解调出不同信道的信息。现有的所谓的高效的光学涡旋检测手段大多是基于相位匹配的检测方法。OV的远场衍射图样为环形，且圆环半径正比于OV的拓扑荷的平方根√l，而普通的高斯光束(l＝0)的远场衍射图样为一个实心的圆斑。利用这一特点我们可以用带有拓扑荷l的OV光束照射到一个带有复共轭相位，即exp(-ilθ)的光学元件上，将OV光束转化为普通的高斯光束，再将实心的高斯光束经过一个小孔滤波器(滤掉其他拓扑荷环形的成分，只允许实心的高斯光束通过)导入光电探测器将光信号转化为电信号，进一步解调信息。如果相位图中只含有单一的exp(-ilθ)成分，则每次只能检测一个拓扑荷信息，也就是说即使系统中同时传输了N个信道的信息，在解调端也只能检测到一个信道的信息，这在实际应用中显然是效率低下的。 

有一种方法可以解决这个问题就是将这个含有多个拓扑荷成分的光束分成N束，在每一束光中加入不同的复共轭相位来检测不同OAM信道中的信息。这样做无疑是增加了系统的复杂程度，至少需要多个分束器和N个相位装置，而且在这个过程中降低了能量利用率。另一种方式是利用光栅来检测多个OAM光束。通常采用的是衍射型光栅，包括振幅型和位相型。由于振幅型光栅的衍射效率很低，能量利用率很低，所以一般选用位相型光栅。但是对于传统的位相型OV检测光栅，随着级次n的增加，较高级次的能量下降得非常迅速。由此就产生了一个严重的问题：较高级次的中心亮点的能量十分微弱。一般当|n|＞3时，中心亮点已经很难观察到，这样就严重限制了OV光通讯系统解调端的解调能力。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法和系统，利用涡旋达曼光栅来复用和解复用OAM信道，大大简化了系统的复杂程度，使系统对称化，增加了系统容量，并提高了能量利用率。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法，所述方法，包括： 

多个独立的光信号源发出经过调制编码的光信号，利用耦合输出镜入射到涡旋达曼光栅上，在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束，发送给接收端； 

接收端将接收到的所述同轴的光束，入射到与发送端的所述涡旋达曼光栅，复共轭关系的涡旋达曼光栅上，多个出射光束经过解调制后获得所述发射端发出的多个独立的光信号。 

其中，所述涡旋达曼光栅，具体为：二元位相型涡旋达曼光栅。 

其中，所述多个独立的光信号源，具体为：所需要复用和解复用的多个轨道角动量(OAM)信道，对应的各自的光信号源。 

本发明还提供了一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的系统，所述系统包括：发送端装置和接收端装置，其中， 

所述发送端装置，用于将多个独立的光信号源发出经过调制编码的光信号，利用耦合输出镜入射到涡旋达曼光栅上，在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束，发送给接收端装置； 

所述接收端装置，用于将接收到的所述同轴的光束，入射到与发送端的所述涡旋达曼光栅，复共轭关系的涡旋达曼光栅上，多个出射光束经过解调制后获得所述发射端发出的多个独立的光信号。 

其中，所述涡旋达曼光栅，具体为：二元位相型涡旋达曼光栅。 

其中，所述多个独立的光信号源，具体为：所需要复用和解复用的多个OAM信道，对应的各自的光信号源。 

本发明所提供的利用涡旋达曼光栅复用及解复用的方法和系统，所述方法，包括：多个独立的光信号源发出经过调制编码的光信号，利用耦合输出镜入射到涡旋达曼光栅上，在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束，发送给接收端；接收端将接收到的所述同轴的光束，入射到与发送端的所述涡旋达曼光栅，复共轭关系的涡旋达曼光栅上，多个出射光束经过解调制后获得所述发射端发出的多个独立的光信号，这样利用涡旋达曼光栅来复用和解复用OAM信道，大大简化了系统的复杂程度，使系统对称化，增加了系统容量，并提高了能量利用率。 

附图说明

图1为本发明公开的一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法流程示意图； 

图2为本发明公开的一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的系统结构示意图； 

图3为一个1×4的涡旋达曼光栅的光栅相位示意图； 

图4为实验中4束光信号入射到涡旋达曼光栅之后的衍射图； 

图5为含有以上四个拓扑荷的同轴OAM光束经过解调用涡旋达曼光栅后的衍射图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。 

图1为本发明公开的一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括： 

步骤101，多个独立的光信号源发出经过调制编码的光信号，利用耦合输出镜按照特定的空间角度入射到涡旋达曼光栅上，在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束，发送给接收端； 

具体的，所述涡旋达曼光栅，具体为：二元位相型涡旋达曼光栅。所述多个独立的光信号源，具体为：所需要复用和解复用的多个轨道角动量(OAM)信道，对应的各自的光信号源。所述特定的空间角度的确定是根据涡旋达曼光栅的特性，使各个光信号以各自的角度入射在光栅上，并在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束。 

步骤102，接收端将接收到的所述同轴的光束，入射到与发送端的所述涡旋达曼光栅，复共轭关系的涡旋达曼光栅上，多个出射光束经过解调制后获得所述发射端发出的多个独立的光信号。 

图2为本发明公开的一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的系统结构示意图，如图2所示，所述系统，包括：发送端装置21和接收端装置22，其中， 

所述发送端装置21，用于将多个独立的光信号源发出经过调制编码的光信号，利用耦合输出镜按照特定的空间角度入射到涡旋达曼光栅上，在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束，发送给接收端装置22； 

具体的，所述涡旋达曼光栅，具体为：二元位相型涡旋达曼光栅。所述多个独立的光信号源，具体为：所需要复用和解复用的多个OAM信道，对应的各自的光信号源。 

所述接收端装置22，用于将接收到的所述同轴的光束，入射到与发送端的所述涡旋达曼光栅，复共轭关系的涡旋达曼光栅上，多个出射光束经过解调制后获得所述发射端发出的多个独立的光信号。 

在试验中，我们采用一个40波的多波长激光器作为光源，经100Gbit/s的正交相移键控(QPSK)调制器调制后，采用1×N光纤耦合器分成N路相等光强的信号(N为将要复用的OAM信道数)，，从而得到N路100Gbit/s的信号。然后在N根不同长度的长光纤中传输一段距离(20m以上)，达到去相关的目的，可以模拟N个独立信号源。由于现有的高速调制器都是针对光纤通信的，所以信号的产生端都是在光纤中传输的。得到调制编码的信号后，利用N个耦合输出镜将这N路信号光从光纤耦合到自由空间中。将这N束信号光沿着特定的衍射角度入射到涡旋达曼光栅上，则在光栅的0级衍射方向上，这N束光合成了一束同轴的光束，并且由不同角度入射的信号光携带了不同拓扑荷的OAM信息。这些不同的OAM光束虽然是同轴传输，但是由于不同拓扑荷的OAM光束之间是完全正交的，所以这N路OAM光束之间是不会相互影响的。需要说 明的是：理论上我们可实现的串扰是零，但是实际中由于大气的扰动，折射率分布不均匀等因素会导致测试结果中存在串扰，但是串扰的值很小。这样就完成了OAM信道的复用。 

准直平行光束经位相分布为φ的涡旋达曼光栅后的的复振幅ψ数学表达式满足： 

$\mathrm{\ψ}=\exp \left(\mathrm{i\φ}\right)={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{E}_n\exp [\mathrm{in}\×(\frac{2\mathrm{\πx}}{T}+l_n\mathrm{\θ})]$

其中φ为涡旋达曼光栅的相位，n为衍射级次，N为将要复用的OAM信道数，此处取非零偶数，T为光栅x方向的空间周期，拓扑荷l_n为一个正整数，θ为极坐标系下的方位角，E_n为归一化系数且此处取|E_n|²＝1/N。 

当光束从一个特定角度入射时，假设n＝n₁(-N/2≤n₁≤N/2)则在0级衍射方向就会得到当N束光分别沿着光栅的N个级次入射，则在零级方向上合束后复振幅分布A满足： 

$A={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{E}_n\exp \left[\mathrm{in}{l}_n\mathrm{\θ}\right]$

由此可知，不同角度入射的光在零级合成了一束同轴光束，且带有不同的拓扑荷信息。这样仅用一个光栅就完成了N个OAM信道的复用。 

在接收端解复用利用的也是与发送端复共轭关系的的涡旋达曼光栅。当一束光含有特定拓扑荷(如l_n)入射到此光栅上时，出射光会被衍射成N级，在一个特定的级次上会出现一个高斯点(而其他级次还是环形光斑)，将这一级的光点耦合进光纤，进入探测器进行解调。值得一提的是，衍射出的每一级的总能量相等，避免了普通光栅高级次能量迅速下降以至于不能探测的问题。并且如果光束中含有多个拓扑荷，利用此光栅可以同时解调出所有拓扑荷，不需要额外加入其他分光元件和位相元件。 

在实际应用中，特别优化的方案是使用0-π型光栅设计的二元位相型涡旋达曼光栅进行OAM信道的复用和解复用。二元型位相元件制作简单，价格低 廉，而且极大地简化了系统的复杂程度，增加了系统容量，能够达到亚拍比特每秒，并提高了能量利用率，同时也极大地扩展了OAM复用的范围，使几十甚至上百个OAM信道复用/解复用成为可能，而且可以实现150Tbit/s以上的传输速率。 

图3为一个1×4的涡旋达曼光栅的光栅相位示意图，如图3所示，白色区域表示相位为π，黑色区域表示相位是0。 

图4为实验中4束光信号入射到涡旋达曼光栅之后的衍射图，如图4所示，光圈41为前述试验中选取的0级光束，在这个光束中同时带有4束光信号，即(-6，-2，+2，+4)四个OAM信道的信息，并且能进行同轴传输。 

图5为含有以上四个拓扑荷的同轴OAM光束经过解调用涡旋达曼光栅后的衍射图，如图5所示，在相应的级次会产生一个中心亮点，将中心亮点耦合进光纤进行探测，而周围的亮环是其他级次的信息，可以用小孔光阑滤出。图中亮环的模式在光纤中损耗很大，因此即使进入光纤，对信号的影响也不大。 

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法，其特征在于，所述方法，包括：

多个独立的光信号源发出经过调制编码的光信号，利用耦合输出镜入射到涡旋达曼光栅上，在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束，发送给接收端；

接收端将接收到的所述同轴的光束，入射到与发送端的所述涡旋达曼光栅，复共轭关系的涡旋达曼光栅上，多个出射光束经过解调制后获得所述发射端发出的多个独立的光信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋达曼光栅，具体为：二元位相型涡旋达曼光栅。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个独立的光信号源，具体为：所需要复用和解复用的多个轨道角动量(OAM)信道，对应的各自的光信号源。

4.一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的系统，其特征在于，所述系统包括：发送端装置和接收端装置，其中，

所述发送端装置，用于将多个独立的光信号源发出经过调制编码的光信号，利用耦合输出镜入射到涡旋达曼光栅上，在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束，发送给接收端装置；

所述接收端装置，用于将接收到的所述同轴的光束，入射到与发送端的所述涡旋达曼光栅，复共轭关系的涡旋达曼光栅上，多个出射光束经过解调制后获得所述发射端发出的多个独立的光信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述涡旋达曼光栅，具体为：二元位相型涡旋达曼光栅。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述多个独立的光信号源，具体为：所需要复用和解复用的多个OAM信道，对应的各自的光信号源。