CN105207720A - 光信号调制方法及装置、光信号解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种光信号调制方法及装置、光信号解调方法及装置。其中，本发明实施例所提供方案中，在光信号调制过程中，利用空间光调制器合成具有不同拓扑荷值为非整数的光子角动量极化的光束，利用仿真模拟出干涉影像，在光信号解调过程中，利用图像控制器拍摄并保存不同拓扑荷为非整数的光子角动量极化的光束的传输图像并对其分析解调。可见，本发明实施例所提供方案通过在无线光通信系统中通过非整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为载波，能够达到提高频谱利用率，从而进一步提高光子角动量极化的优点的利用率的目的。

Description

光信号调制方法及装置、光信号解调方法及装置

技术领域

本发明涉及光信号处理技术领域，特别是涉及一种光信号调制方法及装置、光信号解调方法及装置。

背景技术

光学漩涡，正如自然界中其他常见宏观漩涡一样，具有明显的涡旋现象。而光作为电磁波的一种，光学涡旋作为一种特殊光场既具有螺旋形的波前特征，即以传播方向为轴进行螺旋方式传播，又同时具有电磁波的特点。随着信息化时代的发展，人们对信息传输的要求越来越高，而激光由于其良好的相干性、方向性和极高的频率，成为优秀的信息载体。但是光的频谱资源始终是有限的，过宽的光谱频带对光束的产生、发送和接收等单元的要求也更为苛刻。因此，寻求新的方式来提高光信息的传输密度成为一个重要问题。

涡旋光束中的光子具有方位角相关的位相项exp(ilφ)，其中，l定义为光束的拓扑荷(topologicalcharge，TC)，理论上可以取任意数，一般来讲是取整数；φ为空间方位角。这种具有涡旋波前的光束被称为光子角动量极化的光信号，并且，由于光子角动量极化的光信号的无限本征态，使得其携带信息的能力极其强大，因此，在自由光空间中(泛指大气、外太空、真空以及不同于光纤或光缆等固态介质的光传输媒介)使用光子角动量极化的光束通信已是潮流所在。当今光子角动量极化的光束在自由空间的应用可以分为两部分，使用光子角动量极化的光束进行编码，将光子角动量极化的光束作为通信载波。

当光子角动量极化的光束作为通信载波时，光子角动量极化的光束仅仅作为信息的载体，而数据信息是通过多路光源的开关调制来加载的。在以往的实验或是仿真中利用不同的光子角动量极化的光束状态实现自由空间的多路光信号复用。其中，通过将信号载入具有不同整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束之中，再进行光束的叠加，采用不同拓扑荷值的光子角动量极化的光束具有正交性的特点确保传输时具有较小的串扰。

现有技术中，利用整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为信息载体，通过这种载波加载信号，在无线光通信系统中调制解调。但是，光子角动量极化的光束理论上讲具有无限本征态，而现有只利用了整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束，在加载信号维度上或是精准度上都有所欠缺，不能完全利用光子角动量极化的优点，因此有待改进。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种光信号调制方法及装置、光信号解调方法及装置，以在无线光通信系统中通过非整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为载波，提高频谱利用率，从而进一步提高光子角动量极化的优点的利用率。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种光信号调制解调方法，包括：

采用激光器产生目标光束；

利用分光器将所述目标光束分为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束；

利用第一调制器为第一光束载入第一待调制信号，以形成第一光信号，且利用第二调制器为第二光束载入第二待调制信号，以形成第二光信号；

通过第一透镜所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行聚焦处理；

利用第一空间光调制器中预先加载的第一干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第一光信号和第三光束进行干涉处理，以形成调制后的第一光信号和第三光束，其中，调制后的第一光信号和第三光束分别携带仅具有奇数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

利用第二空间光调制器中预先加载的第二干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第二光信号和第四光束进行干涉处理，以形成调制后的第二光信号和第四光束，其中，调制后的第二光信号和第四光束分别携带仅具有偶数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

其中，所述第一干涉影像基于奇数的光子角动量极化的光束构成，所述第二干涉影像基于偶数的光子角动量极化的光束构成。

可选的，所述第一干涉影像的生成方式包括：

模拟生成相邻的模式数为N/2个奇数的光子角动量极化的光束的叠加相位；

模拟生成闪耀光栅相位；

将所述叠加相位和所述闪耀光栅相位相加后除以2π再减去π相位；

将减去π相位后所得值与预定强度值相乘，并将相乘值再加π相位，得到第一干涉影像。

可选的，所述第二干涉影像的生成方式包括：

模拟生成相邻的模式数为N/2个偶数的光子角动量极化的光束的叠加相位；

模拟生成闪耀光栅相位；

将所述叠加相位和所述闪耀光栅相位相加后除以2π再减去π相位；

将减去π相位后所得值与预定强度值相乘，并将相乘值再加π相位，得到第二干涉影像。

第二方面，本发明实施例提供了一种光信号解调方法，包括：

经过本发明实施例所述的光信号调制方法调制后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束在第二透镜的作用下，被聚焦透射到空间频率滤波器中，以通过所述空间频率滤波器对调制后的所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行滤波处理，形成均仅具有一级正谐波的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束，其中，经过滤波处理后的第三光束通过处于打开状态的第一遮光板传输至所述第二透镜，经过滤波处理后的第四光束通过处于打开状态的第二遮光板传输至所述第二透镜；

在第三透镜的作用下，经过滤波处理后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束被聚焦投射到图像控制器上；

关闭所述第二遮光板使得经过调制后的第四光束被所述第二遮光板遮挡，利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第三光束的强度和相位，打开所述第二遮光板，利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第一光信号的强度和相位，进而，利用所述图像控制器判断所记录的第一光信号的强度是否大于所记录的第三光束的强度的预定比例，并判断第一光信号的相位与第三光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第一光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第一光信号所携带的信号为0；

关闭所述第一遮光板使得经过调制后的第三光束被所述第一遮光板遮挡，利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第四光束的强度和相位，打开所述第一遮光板，利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第二光信号的强度和相位，进而，利用所述图像控制器判断所记录的第二光信号的强度是否大于所记录的第四光束的强度的预定比例，并判断第二光信号的相位与第四光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第二光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第二光信号所携带的信号为0。

第三方面，本发明实施例提供了一种光信号调制装置，包括：

激光器，用于产生目标光束；

分光器，用于将所述目标光束分为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束；

第一调制器，用于为第一光束载入第一待调制信号，以形成第一光信号；

第二调制器，用于为第二光束载入第二待调制信号，以形成第二光信号；

第一透镜，用于对所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行聚焦处理；

第一空间光调制器，用于利用内部预先加载的第一干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第一光信号和第三光束进行干涉处理，以形成调制后的第一光信号和第三光束，其中，调制后的第一光信号和第三光束分别携带仅具有奇数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

第二空间光调制器，用于利用内部预先加载的第二干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第二光信号和第四光束进行干涉处理，以形成调制后的第二光信号和第四光束，其中，调制后的第二光信号和第四光束分别携带仅具有偶数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

其中，所述第一干涉影像基于奇数的光子角动量极化的光束构成，所述第二干涉影像基于偶数的光子角动量极化的光束构成。

第四方面，本发明实施例提供了一种光信号解调装置，包括：

第二透镜，用于将经过本发明实施例所提供的光信号调制装置调制后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束聚焦透射到空间频率滤波器中；

所述空间频率滤波器，用于对调制后的所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行滤波处理，形成均仅具有一级正谐波的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束；

第一遮光板，用于在处于打开状态时使得经过滤波处理后的第三光束传输至所述第二透镜；

第二遮光板，用于在处于打开状态时使得经过滤波处理后的第四光束传输至所述第二透镜；

第三透镜，用于将经过滤波处理后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束聚焦投射到图像控制器上；

所述图像控制器，用于在关闭所述第二遮光板使得经过调制后的第四光束被所述第二遮光板遮挡、利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第三光束的强度和相位，在打开所述第二遮光板、利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光信号载入第二待调制信号以形成第二光信号后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第一光信号的强度和相位，进而，判断所记录的第一光信号的强度是否大于所记录的第三光束的强度的预定比例，并判断第一光信号的相位与第三光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第一光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第一光信号所携带的信号为0；

所述图像控制器，还用于在关闭所述第一遮光板使得经过调制后的第三光束被所述第一遮光板遮挡、利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第四光束的强度和相位，在打开所述第一遮光板、利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第二光信号的强度和相位，进而，判断所记录的第二光信号的强度是否大于所记录的第四光束的强度的预定比例，并判断第二光信号的相位与第四光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第二光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第二光信号所携带的信号为0。

与现有技术相比，本发明实施例所提供方案中，通过产生非整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为信息的载波，弥补了光子角动量极化的光信号的无限本征态必然是整数的缺陷。可见，本方案通过在无线光通信系统中通过非整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为载波，能够达到提高频谱利用率，从而进一步提高光子角动量极化的优点的利用率的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种光信号调制方法的流程图；

图2本发明实施例所提供的一种光信号解调方法的流程图；

图3为本发明实施例所提供的一种光信号调制方法和光信号解调方法所针对的调制解调原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种光信号调制方法及装置、光信号解调方法及装置，以在无线光通信系统中通过非整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为载波，提高频谱利用率，从而进一步提高光子角动量极化的优点的利用率。

下面首先对本发明实施例所提供的一种光信号调制方法进行介绍。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种光信号调制方法，可以包括如下步骤：

S101，采用激光器产生目标光束；

在光信号调制过程中，首先通过激光器产生作为信息载体的目标光束，其中，激光器产生的目标光束可以为高斯光波，当然，其他类型的激光也是可以的。

S102，利用分光器将目标光束分为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束；

在激光器产生目标光束后，可以利用多个分光器来对目标光束进行分光处理，从而将一束激光分成四束激光，该四束激光具体为：第一光束、第二光束、第三光束、第四光束。

S103，利用第一调制器为第一光束载入第一待调制信号，以形成第一光信号，且利用第二调制器为第二光束载入第二待调制信号，以形成第二光信号；

由于需要对光信号调制，因此，在利用多个分光器将目标光束分为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束后，可以利用第一调制器为第一光束载入第一待调制信号，以形成第一光信号，且利用第二调制器为第二光束载入第二待调制信号，以形成第二光信号，其中，第一待调制信号和第二待调制信号可以为：值为0或1的随机信号。

需要说明的是，第三光束和第四光束不经过任何调制器，能够在调制解调过程中作为基准信号；并且，第一光信号和第二光信号均为载有待调制信号的光束。

本领域技术人员可以理解的是，利用调制器为光束载入信号可以通过现有技术实现。

S104，通过第一透镜对所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行聚焦处理；

其中，所述第一光信号、所述第二光信号、第三光束和第四光束在经过第一透镜的聚焦处理后，可以直接传输至相应的空间光调制器。

S105，利用第一空间光调制器中预先加载的第一干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第一光信号和第三光束进行干涉处理，以形成调制后的第一光信号和第三光束，其中，调制后的第一光信号和第三光束分别携带仅具有奇数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

S106，利用第二空间光调制器中预先加载的第二干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第二光信号和第四光束进行干涉处理，以形成调制后的第二光信号和第四光束，其中，调制后的第二光信号和第四光束分别携带仅具有偶数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束。

为了实现通过非整数的角动量极化的光束作为载波，从而解决现有技术问题，载有第一待调制信号的第一光信号、载有第二待调制信号的第二光信号、第三光束和第四光束可以传输至相应的空间光调制器，从而完成光信号调制，具体的：利用第一空间光调制器中预先加载的第一干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第一光信号和第三光束进行干涉处理，以形成调制后的第一光信号和第三光束，其中，调制后的第一光信号和第三光束分别携带仅具有奇数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；利用第二空间光调制器中预先加载的第二干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第二光信号和第四光束进行干涉处理，以形成调制后的第二光信号和第四光束，其中，调制后的第二光信号和第四光束分别携带仅具有偶数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束。

其中，第一空间光调制器和第二空间光调制器可以为同一空间光调制器，也可以为不同的空间光调制器。

其中，所述第一干涉影像基于奇数的光子角动量极化的光信号构成，所述第二干涉影像基于偶数的光子角动量极化的光信号构成。

具体的，所述第一干涉影像的生成方式可以包括：

模拟生成相邻的模式数为N/2个奇数的光子角动量极化的光束的叠加相位；

模拟生成闪耀光栅相位；

将所述叠加相位和所述闪耀光栅相位相加后除以2π再减去π相位；

将减去π相位后所得值与预定强度值相乘，并将相乘值再加π相位，得到第一干涉影像；

类似的，所述第二干涉影像的生成方式可以包括：

模拟生成相邻的模式数为N/2个偶数的光子角动量极化的光束的叠加相位；

模拟生成闪耀光栅相位；

将所述叠加相位和所述闪耀光栅相位相加后除以2π再减去π相位；

将减去π相位后所得值与预定强度值相乘，并将相乘值再加π相位，得到第二干涉影像。

上述的第一干涉影像和第二干涉影像的生成方式所基于的数学表达式可以如下：

Φ(x,y)_holo＝[(Φ(x,y)_beam+Φ(x,Λ)_grating)mod2π-π]sinc²[(1-I(x,y)_beam)π]+π

其中，Φ(x,y)_holo为计算机绘制的分数光子角动量极化的光束的干涉影像，即全息图，Φ(x,y)_beam为由整数光子角动量极化的光束组成的叠加相位，Φ(x,Λ)_grating为闪耀光栅相位；I(x,y)_beam为整数光子角动量极化的光束的叠加强度，sinc²[(1-I(x,y)_beam)π]为预定强度值。

其中，N为叠加成分数光子角动量极化的光束的整数光子角动量极化的光信号的个数，其可以根据实际情况进行设定，例如：N可以为10、20、30等等，这都是合理的。

需要说明的是，上述的第一干涉影像和第二干涉影像通过计算机模拟生成，并且，上述的生成方式仅仅作为示例，并不应该构成对本发明实施例的限定；另外，模拟生成相邻的模式数为N/2个偶数和奇数的光子角动量极化的光束的叠加相位和模拟生成闪耀光栅相位均可以通过现有技术实现，在此不作赘述。

其中，需要说明的是，在实际应用中，各光束可以通过光纤进行传输，当然，并不局限于此。

与现有技术相比，本发明实施例所提供方案中，通过产生非整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为信息的载波，弥补了光子角动量极化的光束的无限本征态必然是整数的缺陷。可见，本方案通过在无线光通信系统中通过非整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为载波，能够达到提高频谱利用率，从而进一步提高光子角动量极化的优点的利用率的目的。

基于上述所提供的一种光信号调制方法，本发明实施例还提供了一种光信号解调方法，如图2所示，可以包括如下步骤：

S201，经过调制后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束在第二透镜的作用下，被聚焦透射到空间频率滤波器中，以通过所述空间频率滤波器对调制后的所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行滤波处理，形成均仅具有一级正谐波的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束，其中，经过滤波处理后的第三光束通过处于打开状态的第一遮光板传输至所述第二透镜，经过滤波处理后的第四光束通过处于打开状态的第二遮光板传输至所述第二透镜；

其中，经过调制后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束具体为：经过本发明上述实施例所提供的光信号调制方法调制后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束。

S202，在第三透镜的作用下，经过滤波处理后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束被聚焦投射到图像控制器上；

S203，关闭所述第二遮光板使得经过调制后的第四光束被所述第二遮光板遮挡，利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第三光束的强度和相位，打开所述第二遮光板，利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第一光信号的强度和相位，进而，利用所述图像控制器判断所记录的第一光信号的强度是否大于所记录的第三光束的强度的预定比例，并判断第一光信号的相位与第三光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第一光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第一光信号所携带的信号为0；

可以理解的是，在第一遮光板关闭后，经过调制后的第三光束会被遮挡，无法继续传输，同样的，在第二遮光板关闭后，经过调制后的第四光束会被遮挡。

其中，由于第二遮光板关闭，经过调制后的第四光束被遮挡，利用该第一调制器为第一光束载入信号0，利用该第二调制器为第二光束载入信号0，此时，图像控制器上只存在携带奇数螺旋波前的第三光束，图像控制器可以检测并记录该第三光束的强度和相位，进而，在记录完毕后，打开第二遮光板，正常传输信号，即利用该第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号，利用该第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号，两条光信号一起传输，此时，图像控制器只有第一光信号和第二光信号的强度和相位，由于第一光信号和第二光信号具有不同波前特征(奇数或偶数)，而第三光束具有与第一光信号相对应的奇数波前，因此，将图像控制器所记录的第一光信号的强度和相位分别与之前图像控制器所记录的第三光束的强度和相位进行对比，就能解调出第一光信号所携带的信号。

并且，预定比例的具体指可以根据第一待调制信号和第二待调制信号中0或1出现的概率设定，例如：0和1出现的概率一样时，该预定比例可以被设置为二分之一；而预定相位相似条件可以为相位差值是否预定差值范围内，当然并不局限于此。

S204，关闭所述第一遮光板使得经过调制后的第三光束被所述第一遮光板遮挡，利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第四光束的强度和相位，打开所述第一遮光板，利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第二光信号的强度和相位，进而，利用所述图像控制器判断所记录的第二光信号的强度是否大于所记录的第四光束的强度的预定比例，并判断第二光信号的相位与第四光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第二光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第二光信号所携带的信号为0。

其中，由于第一遮光板关闭，经过调制后的第三光束被遮挡，利用该第一调制器为第一光束载入信号0，利用该第二调制器为第二光束载入信号0，此时，图像控制器上只存在携带偶数螺旋波前的第四光束，图像控制器可以检测并记录该第四光束的强度和相位，进而，在记录完毕后，打开第一遮光板，正常传输信号，即利用该第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号，利用该第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号，两条光信号一起传输，此时，图像控制器只有第一光信号和第二光信号的强度和相位，由于第一光信号和第二光信号具有不同波前特征(奇数或偶数)，而第四光束具有与第二光信号相对应的偶数波前，因此，将图像控制器所记录的第二光信号的强度和相位分别与之前图像控制器所记录的第四光束的强度和相位进行对比，就能解调出所述第二光信号所携带的信号。

并且，预定比例的具体指可以根据第一待调制信号和第二待调制信号中0或1出现的概率设定，例如：0和1出现的概率一样时，该预定比例可以被设置为二分之一；而预定相位相似条件可以为相位差值是否预定差值范围内，当然并不局限于此。

需要强调的是，上述S203和S204的执行顺序并不局限于本实施例所给出的顺序，例如：可以先执行S204后执行S203，这也是合理的。

需要说明的是，本发明实施例中所出现的“第一”“第二”“第三”等均是对器件在命名上的区分，并不具有任何限定意义，举例而言：“第一调制器”中的“第一”和“第二调制器”中的“第二”仅仅从命名上区分为不同光束载入随机信号的调制器，并不具有任何限定意义，同样的，后续的“第一透镜”中的“第一”、“第二透镜”中的“第二”和“第三透镜”中的“第三”仅仅从命名上区分处于不同聚焦时段的透镜，并不具有任何限定意义，等等。

可见，本方案通过在无线光通信系统中通过非整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为载波，能够达到提高频谱利用率，从而进一步提高光子角动量极化的优点的利用率的目的。

本发明实施例所提供方案通过理论与实际相结合，在光信号调制过程中，利用空间光调制器合成具有不同拓扑荷值为非整数的光子角动量极化的光束，利用仿真模拟出具有强度与相位两方面因素的干涉影像，在光信号解调过程中，利用图像控制器拍摄并保存不同拓扑荷为非整数的光子角动量极化的光束的传输图像并对其分析解调。

本发明实施例所提供方案弥补了光子角动量极化的光束的无限本征态必然是整数的缺陷，本征态是与其拓扑荷值相关联的，在之前的研究中，拓扑荷值在大多数情况下都是取整数，而本发明则是通过产生分数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为信息的载波，使得频谱利用率、传输的安全性得到提高。

下面结合图3所示的调制解调原理图，对本发明实施例所提供的一种光信号调制方法和一种光信号解调方法进行介绍。

本发明实施例所提供的一种光信号调制方法，可以包括：

步骤A：采用激光器1产生光束S；

步骤B：利用多个分光器将所述光束S分为第一光束S1、第二光束S2、第三光束S3和第四光束S4；

其中，如图2所示，可以在第一分光器2、第二分光器3、第三分光器4的作用下，光束S被分为第一光束S1、第二光束S2、第三光束S3和第四光束S4。

其中，在图2所示器件分布方式的基础上，为了使得第三光束S3能够传输至第一透镜14，可以利用如图2所示的第一反射镜9，为了使得第二光束S2能够传输至第二调制器13，可以利用如图2所示的第二反射镜10。

步骤C：利用第一调制器12为第一光束S1载入第一待调制信号，以形成第一光信号S5，且利用第二调制器13为第二光束S2载入第二待调制信号，以形成第二光信号S6；

步骤D：通过第一透镜14对所述第一光信号S5、所述第二光信号S6、所述第三光束S3和所述第四光束S4进行聚焦处理；

步骤E：利用第一空间光调制器19中预先加载的第一干涉影像对经过所述第一透镜14聚焦处理后的第一光信号S5和第三光束S3进行干涉处理，以形成调制后的第一光信号S5和第三光束S3，其中，调制后的第一光信号S5和第三光束S3分别携带仅具有奇数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

步骤F：利用第二空间光调制器20中预先加载的第二干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第二光信号S6和第四光束S4进行干涉处理，以形成调制后的第二光信号S6和第四光束S4，其中，调制后的第二光信号S6和第四光束S4分别携带仅具有偶数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束。

基于上述的一种光信号调制方法，本发明实施例所提供的一种光信号解调方法，可以包括：

步骤G：经过调制后的第一光信号S5、第二光信号S6、第三光束3和第四光束S4在第二透镜15的作用下，被聚焦透射到空间频率滤波器21中，以通过所述空间频率滤波器21对调制后的所述第一光信号S5、所述第二光信号S6、所述第三光束S3和所述第四光束S4进行滤波处理，形成均仅具有一级正谐波的第一光信号S5、第二光信号S6、第三光束S3和第四光束S4，其中，经过滤波处理后的第三光束S3通过处于打开状态的第一遮光板17传输至所述第二透镜15，经过滤波处理后的第四光束S4通过处于打开状态的第二遮光板18传输至所述第二透镜15；

其中，在图3所示器件分布方式的基础上，为了第一光信号S5能够顺利传输至第二透镜15，可以使该第一光信号S5依次经过第七分光器8、第三反射镜11，为了第二光信号S6能够顺利传输至第二透镜15，可以使第二光信号S6依次经过第六分光器7、第三反射镜11，为了第四光束S4能够顺利传输至第二透镜15，可以使第四光束S4依次经过第五分光器6、第三反射镜11，为了第三光束S3能够顺利传输至第二透镜15，可以使第三光束S3依次经过第四分光器5、第三反射镜11。

步骤H：在第三透镜16的作用下，经过滤波处理后的第一光信号S5、第二光信号S6、第三光束S3和第四光束S4被聚焦投射到图像控制器22上；

步骤I：关闭所述第二遮光板18使得经过调制后的第四光束S4被所述第二遮光板18遮挡，利用所述第一调制器12为第一光束S1载入信号0以及利用所述第二调制13为第二光束S2载入信号0，利用所述图像控制器22记录经过所述第三透镜16聚焦处理后的第三光束S3的强度和相位，打开所述第二遮光板18，利用所述第一调制器12为第一光束S1载入第一待调制信号以形成第一光信号S5以及利用所述第二调制13为第二光束S2载入第二待调制信号以形成第二光信号S6，利用所述图像控制器22记录经过所述第三透镜16聚焦处理后的第一光信号S5的强度和相位，进而，利用所述图像控制器22判断所记录的第一光信号S5的强度是否大于所记录的第三光束S3的强度的预定比例，并判断第一光信号S5的相位与第三光束S3的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第一光信号S5所携带的信号为1，否则，解调得到所述第一光信号S5所携带的信号为0；

步骤J：关闭所述第一遮光板17使得经过调制后的第三光束S3被所述第一遮光板17遮挡，利用所述第一调制器12为第一光束S1载入信号0以及利用所述第二调制器13为第二光束S2载入信号0，利用所述图像控制22记录经过所述第三透镜16聚焦处理后的第四光束S4的强度和相位，打开所述第一遮光板17，利用所述第一调制器12为第一光束S1载入第一待调制信号以形成第一光信号S5以及利用所述第二调制13为第二光束S2载入第二待调制信号以形成第二光信号S6，利用所述图像控制器22记录经过所述第三透镜16聚焦处理后的第二光信号S6的强度和相位，进而，利用所述图像控制器22判断所记录的第二光信号S6的强度是否大于所记录的第四光束S4的强度的预定比例，并判断第二光信号S6的相位与第四光束S4的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第二光信号S6所携带的信号为1，否则，解调得到所述第二光信号S6所携带的信号为0。

可见，本方案通过在无线光通信系统中通过非整数拓扑荷值的光子角动量极化的光束作为载波，能够达到提高频谱利用率，从而进一步提高光子角动量极化的优点的利用率的目的。

相应于上述方法实施例所提供的一种光信号调制方法，本发明实施例还提供了一种光信号调制装置，可以包括：

激光器，用于产生目标光束；

分光器，用于将所述目标光束分为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束；

第一调制器，用于为第一光束载入第一待调制信号，以形成第一光信号；

第二调制器，用于为第二光束载入第二待调制信号，以形成第二光信号；

第一透镜，用于对所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行聚焦处理；

第一空间光调制器，用于利用内部预先加载的第一干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第一光信号和第三光束进行干涉处理，以形成调制后的第一光信号和第三光束，其中，调制后的第一光信号和第三光束分别携带仅具有奇数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

第二空间光调制器，用于利用内部预先加载的第二干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第二光信号和第四光束进行干涉处理，以形成调制后的第二光信号和第四光束，其中，调制后的第二光信号和第四光束分别携带仅具有偶数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

其中，所述第一干涉影像基于奇数的光子角动量极化的光束构成，所述第二干涉影像基于偶数的光子角动量极化的光束构成。

相应于本发明实施例所提供的一种光信号解调方法，本发明实施例还提供了一种光信号解调装置，可以包括：

第二透镜，用于将经过本发明实施例所提供的光信号调制装置调制后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束聚焦透射到空间频率滤波器中；

所述空间频率滤波器，用于对调制后的所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行滤波处理，形成均仅具有一级正谐波的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束；

第一遮光板，用于在处于打开状态时使得经过滤波处理后的第三光束传输至所述第二透镜；

第二遮光板，用于在处于打开状态时使得经过滤波处理后的第四光束传输至所述第二透镜；

第三透镜，用于将经过滤波处理后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束聚焦投射到图像控制器上；

所述图像控制器，用于在关闭所述第二遮光板使得经过调制后的第四光束被所述第二遮光板遮挡、利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第三光束的强度和相位，在打开所述第二遮光板、利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光信号载入第二待调制信号以形成第二光信号后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第一光信号的强度和相位，进而，判断所记录的第一光信号的强度是否大于所记录的第三光束的强度的预定比例，并判断第一光信号的相位与第三光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第一光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第一光信号所携带的信号为0；

所述图像控制器，还用于在关闭所述第一遮光板使得经过调制后的第三光束被所述第一遮光板遮挡、利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第四光束的强度和相位，在打开所述第一遮光板、利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第二光信号的强度和相位，进而，判断所记录的第二光信号的强度是否大于所记录的第四光束的强度的预定比例，并判断第二光信号的相位与第四光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第二光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第二光信号所携带的信号为0。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光信号调制方法，其特征在于，包括：

采用激光器产生目标光束；

利用分光器将所述目标光束分为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束；

利用第一调制器为第一光束载入第一待调制信号，以形成第一光信号，且利用第二调制器为第二光束载入第二待调制信号，以形成第二光信号；

通过第一透镜所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行聚焦处理；

利用第一空间光调制器中预先加载的第一干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第一光信号和第三光束进行干涉处理，以形成调制后的第一光信号和第三光束，其中，调制后的第一光信号和第三光束分别携带仅具有奇数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

利用第二空间光调制器中预先加载的第二干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第二光信号和第四光束进行干涉处理，以形成调制后的第二光信号和第四光束，其中，调制后的第二光信号和第四光束分别携带仅具有偶数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

其中，所述第一干涉影像基于奇数的光子角动量极化的光束构成，所述第二干涉影像基于偶数的光子角动量极化的光束构成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一干涉影像的生成方式包括：

模拟生成相邻的模式数为N/2个奇数的光子角动量极化的光束的叠加相位；

模拟生成闪耀光栅相位；

将所述叠加相位和所述闪耀光栅相位相加后除以2π再减去π相位；

将减去π相位后所得值与预定强度值相乘，并将相乘值再加π相位，得到第一干涉影像。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二干涉影像的生成方式包括：

模拟生成相邻的模式数为N/2个偶数的光子角动量极化的光束的叠加相位；

模拟生成闪耀光栅相位；

将所述叠加相位和所述闪耀光栅相位相加后除以2π再减去π相位；

将减去π相位后所得值与预定强度值相乘，并将相乘值再加π相位，得到第二干涉影像。

4.一种光信号解调方法，其特征在于，包括：

经过权利要求1所述的光信号调制方法调制后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束在第二透镜的作用下，被聚焦透射到空间频率滤波器中，以通过所述空间频率滤波器对调制后的所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行滤波处理，形成均仅具有一级正谐波的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束，其中，经过滤波处理后的第三光束通过处于打开状态的第一遮光板传输至所述第二透镜，经过滤波处理后的第四光束通过处于打开状态的第二遮光板传输至所述第二透镜；

在第三透镜的作用下，经过滤波处理后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束被聚焦投射到图像控制器上；

关闭所述第二遮光板使得经过调制后的第四光束被所述第二遮光板遮挡，利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第三光束的强度和相位，打开所述第二遮光板，利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第一光信号的强度和相位，进而，利用所述图像控制器判断所记录的第一光信号的强度是否大于所记录的第三光束的强度的预定比例，并判断第一光信号的相位与第三光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第一光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第一光信号所携带的信号为0；

关闭所述第一遮光板使得经过调制后的第三光束被所述第一遮光板遮挡，利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第四光束的强度和相位，打开所述第一遮光板，利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号，利用所述图像控制器记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第二光信号的强度和相位，进而，利用所述图像控制器判断所记录的第二光信号的强度是否大于所记录的第四光束的强度的预定比例，并判断第二光信号的相位与第四光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第二光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第二光信号所携带的信号为0。

5.一种光信号调制装置，其特征在于，包括：

激光器，用于产生目标光束；

分光器，用于将所述目标光束分为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束；

第一调制器，用于为第一光束载入第一待调制信号，以形成第一光信号；

第二调制器，用于为第二光束载入第二待调制信号，以形成第二光信号；

第一透镜，用于对所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行聚焦处理；

第一空间光调制器，用于利用内部预先加载的第一干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第一光信号和第三光束进行干涉处理，以形成调制后的第一光信号和第三光束，其中，调制后的第一光信号和第三光束分别携带仅具有奇数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

第二空间光调制器，用于利用内部预先加载的第二干涉影像对经过所述第一透镜聚焦处理后的第二光信号和第四光束进行干涉处理，以形成调制后的第二光信号和第四光束，其中，调制后的第二光信号和第四光束分别携带仅具有偶数螺旋波前并构成非整数模式值的光子角动量极化的光束；

其中，所述第一干涉影像基于奇数的光子角动量极化的光束构成，所述第二干涉影像基于偶数的光子角动量极化的光束构成。

6.一种光信号解调装置，其特征在于，包括：

第二透镜，用于将经过权利要求5所述的光信号调制装置调制后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束聚焦透射到空间频率滤波器中；

所述空间频率滤波器，用于对调制后的所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光束和所述第四光束进行滤波处理，形成均仅具有一级正谐波的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束；

第一遮光板，用于在处于打开状态时使得经过滤波处理后的第三光束传输至所述第二透镜；

第二遮光板，用于在处于打开状态时使得经过滤波处理后的第四光束传输至所述第二透镜；

第三透镜，用于将经过滤波处理后的第一光信号、第二光信号、第三光束和第四光束聚焦投射到图像控制器上；

所述图像控制器，用于在关闭所述第二遮光板使得经过调制后的第四光束被所述第二遮光板遮挡、利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第三光束的强度和相位，在打开所述第二遮光板、利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光信号载入第二待调制信号以形成第二光信号后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第一光信号的强度和相位，进而，判断所记录的第一光信号的强度是否大于所记录的第三光束的强度的预定比例，并判断第一光信号的相位与第三光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第一光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第一光信号所携带的信号为0；

所述图像控制器，还用于在关闭所述第一遮光板使得经过调制后的第三光束被所述第一遮光板遮挡、利用所述第一调制器为第一光束载入信号0以及利用所述第二调制器为第二光束载入信号0后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第四光束的强度和相位，在打开所述第一遮光板、利用所述第一调制器为第一光束载入第一待调制信号以形成第一光信号以及利用所述第二调制器为第二光束载入第二待调制信号以形成第二光信号后，记录经过所述第三透镜聚焦处理后的第二光信号的强度和相位，进而，判断所记录的第二光信号的强度是否大于所记录的第四光束的强度的预定比例，并判断第二光信号的相位与第四光束的相位是否符合预定相位相似条件，如果判断结果均为是，解调得到所述第二光信号所携带的信号为1，否则，解调得到所述第二光信号所携带的信号为0。