CN105282630A - 一种新型涡旋达曼光栅模型及动态可重构路由系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于自由空间光通信领域，提供了一种新型涡旋达曼光栅模型及动态可重构路由系统；所述新型涡旋达曼光栅模型加载于空间光调制器上，用于将入射光束分为若干衍射级次，对于任一衍射级次对应轨道角动量光束的拓扑核值可自定义，使得所述空间光调制器可根据其加载的新型涡旋达曼光栅模型定义的拓扑核信息对空间光进行调制。利用本发明提供的新型涡旋达曼光栅模型可以实现多个OAM信道的并行检测，极大的简化了系统并且拓展了可利用的OAM信道的数量，在作为解调器件时能量利用率高且各信道的能量平均，便于检测，同时使用一个空间光调制器切换不同的光栅就可以实现轨道角动量信道之间的动态路由。

Description

一种新型涡旋达曼光栅模型及动态可重构路由系统

技术领域

本发明属于自由空间光通信领域，尤其涉及一种新型涡旋达曼光栅模型及动态可重构路由系统。

背景技术

无论是移动通信还是互联网通信系统，以及其它的众多通信系统，系统性能的提升都需通过提高系统容量(Capacity)和降低误码率(BitErrorRate，BER)来实现。为了不断提高系统容量，人们在不同的传输媒介(电缆、光纤、自由空间等)上开发出了不同的复用方式，包括时分复用(TimeDivisionMultiplexing，TDM)，码分复用(CodeDivisionMultiplexingCDM)，频分复用(FrequencyDivisionMultiplexingFDM)以及空分复用(SpaceDivisionMultiplexingSDM)等。为了不断降低系统误码率，人们开发出了不同的信源编码(SourceCoding)、调制方式(ModulationFormat)和信道编码(ChannelCoding)方式。随着大数据(BigData)时代的来临，未来的通信系统需要更高的容量和更好的可靠性。面对指数级增长的需求，寻找新型复用方式来实现各种动态路由功能迫在眉睫。而轨道角动量光束由于其独特的先天优势，将为未来通信系统提供极具潜力的解决方案。

轨道角动量光束是一种具有螺旋型相位的特殊光场分布。它的光场的表达式中含有exp(ilφ)一项，可见整数l就表示光束传播一个波长的光程，相位变化l个2π，l被称为拓扑核，是表征轨道角动量光束的重要参数。l可取任意的整数。之前有许多研究表明,不同拓扑核值轨道角动量光束之间是相互正交的，做内积的结果为0。这就为轨道角动量光束实现复用提供了理论基础。也就是说具有不同l值的轨道角动量光束是电磁波在自由空间和圆柱形波导中传播的正交本征模式集合，因而是彼此独立、可分离的。这一特性与光束的频率、偏振等特性无关，为通信技术提供了一个新的可利用维度。同时理论和实验表明，这种轨道角动量光束光场中的每个光子具有特定的轨道角动量(OAM,OrbitalAngularMomentum)值，为理论上l的可能取值范围为所有整数值(l＝0，±1，±2,…±∞)。这一点在量子通信中得到了广泛的应用。

不同拓扑核的轨道角动量光束作为不同的信道传送信息，在接收探测端就需要一种方法有效地解调出不同信道的信息。现存的高效的轨道角动量(OAM)光束检测手段多是基于相位匹配的检测方法。OAM光束的远场衍射图样为环形，且圆环半径正比于OAM光束的拓扑核数，而普通的高斯光束(n＝0)的远场衍射图样为一个实心的圆。利用这一特点我们可以用带有拓扑核n的OAM光束照射到一个带有复共轭相位(即exp(-inθ))的光学元件上，将OAM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(滤掉其他拓扑核环形的成分，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一一个exp(-inθ)成分，则每次只能检测一个拓扑核信息，也就是说系统中同时传输了N个信道的信息，在解调端只能检测到一个信道的信息，这在实际应用中显然是不可取的。有一种方法可以解决这个问题就是将这个含有多个拓扑核成分的光束分成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)，而且在这个过程中损失了很多能量。因此我们提出了利用新型涡旋达曼光栅来同时检测多个OAM光束。但是对于传统的位相型OAM检测光栅,随着级次n的增加,该级次的能量下降的非常迅速.由此就产生了一个严重的问题,在较高级次的中心亮点的能量十分微弱。一般当|n|>3时，中心亮点已经无法观察到。这样就严重限制了OAM通讯系统解调端的解调能力。

针对以上问题现有技术提出了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，并且能量利用率得到了提高。但是传统涡旋达曼光栅每个次级对应的共轭相位是正比于衍射级次的，也就是说光栅一旦设计好，每个次级所对应的共轭相位就是固定的，这样想要实现轨道角动量信道之间的动态路由就十分麻烦。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种新型涡旋达曼光栅模型及动态可重构路由系统，旨在解决现有技术无法解决轨道角动量信道之间的动态路由的问题。

本发明是这样实现的，一种新型涡旋达曼光栅模型，加载于空间光调制器上，用于将入射光束分为若干衍射级次，对于任一衍射级次对应轨道角动量光束的拓扑核值可自定义，使得所述空间光调制器可根据其加载的新型涡旋达曼光栅模型定义的拓扑核信息对空间光进行调制。

进一步地，以M、N表示光束经所述新型涡旋达曼光栅模型后分成的分别在x、y方向的总衍射级次数量；mn、l_mn表示某一级次及其对应的拓扑核，θ为极坐标系下的角向坐标，则所述新型涡旋达曼光栅模型可表示为：

$\exp \[i\mathrm{\Φ}\left(x,y\right)\]={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}_{m=-\frac{M}{2}}^{\frac{M}{2}}\frac{1}{\sqrt{MN}}\exp \[i\×\left(\frac{2\mathrm{\π}nx}{T}+\frac{2\mathrm{\π}my}{T}+l_{mn}\mathrm{\θ}\right)\].$

进一步地，所述新型涡旋达曼光栅模型为连续型结构。

本发明还提供了一种基于上述所述的新型涡旋达曼光栅模型的动态可重构路由系统，信号发生端、动态路由器和信号接收端；

所述信号发生端，用于产生复用的具备特定拓扑核的轨道角动量光束；

所述动态路由器，用于将所述信号发生端的复用光束进行解复用，并将不同拓扑核的轨道角动量光束在自由空间特定位置还原成高斯型实心光束；

所述信号接收端，用于读取所述高斯型实心光束。

进一步地，所述信号发生器包括：光发射器、调制器、分束器、放大器、空间准直器以及涡旋达曼光栅；

所述光发射器用于发射光束，发射的光束通过所述调制器进行调制后形成高速光信号，所述高速光信号进入所述分束器被均匀分成若干均匀光束，每一均匀光束通过所述放大器进行功率放大并去相关后形成独立光束，若干所述独立光束经所述空间准直器耦合至自由空间，并从不同角度照射至所述涡旋达曼光栅，之后在其共轭衍射级次处形成复用在一起的具备特定拓扑核的多个轨道角动量光束同轴的光束。

进一步地，所述动态路由器包括空间光调制器，所述空间光调制器上加载有所述新型涡旋达曼光栅模型，所述新型涡旋达曼光栅的拓扑核与发射端的轨道角动量光束的拓扑核对应；

所述轨道角动量光束经所述新型涡旋达曼光栅模型衍射后，不同拓扑核的轨道角动量光束在自由空间特定位置还原成高斯型实心光束。

进一步地，所述信号接收端包括：小孔滤波器、显微物镜以及探测器；所述显微物镜与探测器之间通过光纤连接；

所述高斯型实心光束通过所述小孔滤波器去除杂散光，经所述显微物镜进行聚焦耦合进入所述光纤后传输至所述探测器进行信息读取。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：利用本发明提供的涡旋达曼光栅模型可以实现多个OAM信道的并行检测，极大的简化了系统并且拓展了可利用的OAM信道的数量，在作为解调器件时能量利用率高且各信道的能量平均，便于检测。在信号能量足够高的情况下甚至可以实现上百个OAM信道的同时解调。同时使用一个空间光调制器(SLM)切换不同的光栅就可以实现轨道角动量信道之间的动态路由，包括切换、广播、滤除等功能，使轨道角动量复用技术应用在实际通信网络中成为可能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种动态可重构路由系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统达曼(Dammann)光栅很早就被人提出，它的特点就是可以将光束平均分成N个衍射级次，这N个级次的能量是相等的。利用这一特性人们提出了涡旋达曼(DammannOV)光栅，其可以表示为：

$\exp \[i\mathrm{\Φ}\left(x,y\right)\]={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}_{m=-\frac{M}{2}}^{\frac{M}{2}}\frac{1}{\sqrt{MN}}\exp \[in\×\left(\frac{2\mathrm{\π}x}{T}+l_x\mathrm{\θ}\right)+im\left(\frac{2\mathrm{\π}y}{T}+l_y\mathrm{\θ}\right)\]---\left(1\right)$

上式(1)式中N，M分别是x,y方向的总衍射级次数量，该光栅衍射后产生一个M×N的阵列，l_x和l_y分别是x,y方向的拓扑核间隔，θ为极坐标系下的角向坐标。可以看出对于给定的某一个级次，m,n是确定的，而该级次对应的拓扑核nl_x+ml_y也是固定的，不能实现可重构的动态解调。

基于上述原因，本发明提出了一种新型涡旋达曼光栅模型(DOVG,DammannOVGrating)，所述新型涡旋达曼光栅模型加载于空间光调制器上，用于将入射光束分为若干衍射级次，对于任一衍射级次对应轨道角动量光束的拓扑核值可自定义，使得所述空间光调制器可根据其加载的新型涡旋达曼光栅模型定义的拓扑核信息对空间光进行调制。

新型DOVG可以表示为：

$\exp \[i\mathrm{\Φ}\left(x,y\right)\]={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}_{m=-\frac{M}{2}}^{\frac{M}{2}}\frac{1}{\sqrt{MN}}\exp \[i\×\left(\frac{2\mathrm{\π}nx}{T}+\frac{2\mathrm{\π}my}{T}+l_{mn}\mathrm{\θ}\right)\]---\left(2\right)$

对于给定的某一级次mn，其对应的拓扑核为l_mn，是可以任意选择的，从而使光栅更加灵活，通过改变l_mn不同的组合方式，可以实现多终端之间可重构的信息交互。具体的设计过程如下：不同于之前的涡旋达曼光栅的二元结构，新型涡旋达曼光栅模型选用了连续型结构，连续型是指光栅周期内的结构变化有个渐变的过程，而非常规达曼光栅的突变。这种结构在SLM上可以很方便快捷的实现，先设定一个函数Y：

$Y(x,y)={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}_{m=-\frac{M}{2}}^{\frac{M}{2}}{b}_{mn}\exp \[i\×\left(\frac{2\mathrm{\π}nx}{T}+\frac{2\mathrm{\π}my}{T}+l_{mn}\mathrm{\θ}\right)\]---\left(3\right)$

选定一组{b_mn}作为初始值带入上述公式(3)，因为本发明所设计的新型涡旋达曼光栅模型必须是一个纯相位函数，因此对Y取相位，得到其相位函数：

angle[·]表示取括号中函数的相位，对函数做相同的级数展开可以得到：

得到一组{c_mn}.通过循环改变{b_mn},搜索最佳的{b_mn}组合使c_mn趋近于即可，得到的优化后的就是我们需要的新型涡旋达曼光栅模型。

如图1所示，为利用上述涡旋达曼光栅模型来实现的一种动态可重构路由系统，包括信号发生端1、动态路由器2和信号接收端3，信号发生端1用于将光束进行复用并通过动态路由器2进行解复用后传输至信号接收端3。

下面对利用上述新型涡旋达曼光栅模型来实现的一种动态可重构路由系统的动态切换原理进行阐述：

A：信道切换

在动态的全光互联中，信道的切换，或者说路由路径的全光动态的重构是一个十分重要的功能。本发明实现的信道切换实际上可以理解成一种动态的OAM寻址方式。在同轴传输的OAM光束中承载着MN路独立的信号，每一路信号对应一个特定的OAM地址编码。在信号接收端3，每个接收终端可以自由地选择其中任意一个OAM地址进行解码。当该终端需要进行信道的切换的时候，只需要改变相应终端的OAM识别地址即可。或者说系统中的路由路径需要重构的时候，只需改变每个终端的对应的OAM复用路由标记，从而改变发射接收单元之间的路有关系，实现全光的信息互联。根据上面的式(2)，接收端的阵列终端中，m₁n₁终端对应了-l_m1n1信道，m₂n₂终端对应-l_m2n2信道。切换后需要将两个终端的信息切换，在生成全息图的时候

$\exp \[{\mathrm{i\Φ}}^{\′}\left(x,y\right)\]={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}_{m=-\frac{M}{2}}^{\frac{M}{2}}\frac{1}{\sqrt{MN}}\exp \[i\×\left(\frac{2\mathrm{\π}nx}{T}+\frac{2\mathrm{\π}my}{T}+{l^{\′}}_{mn}\mathrm{\θ}\right)\]---\left(6\right)$

只需要令其他的拓扑核对应关系不变即可。如果多个终端之间的信息同时切换，也可根据上述原理调整拓扑核对应关系即可。

B:广播

广播就是指多个接受终端同时接受同一个信道的信息，即“一对多”传输。比如在系统中m₁n₁，m₂n₂，……，m_xn_x终端需要同时接受-l_mn信道的信息，则令上式中即可。

C:滤除

当某个终端某个时间段内不需要接受任何信道的信息时，就可以把该信道的信息滤除掉，同时不影响其他信道信息的传输。在我们的系统中，比如m₁n₁终端暂时不需要接受任何信道的信息，就可以切断该终端与信道的连接，即令式(5)中的c_m1n1＝0,其他系数不变。同理，当有P个信道都不需要接收信息的时候，可以将这P个信道的连接同时切断，即将这P个终端对应的c系数同时置零。此时也可以将其他系数重新分配成这样既保证其他信道的能量均匀，同时也提高了能量利用率，增大了接收信号的功率，降低传输中误码的概率。但是这样调整要求接收终端具有一定的动态范围，以适应由于重新分配功率带来的功率变化。

下面通过具体的使用例对本发明进行进一步阐述：

在图1中，激光器(Laser)产生1550nm通信波段的激光光束，经过调制器(modulater)调制成高速的光信号(比如QPSK、OOK等形式的信号光)，信号光进过1*N分束器(OC)均匀的分成N束，每一束经过一个放大器(EDFA)进行功率放大，并且在光纤中传输一段距离，使各束信号光去相关，可以看作N个独立的光源。以上过程均在光纤中实现。N束光经过空间准直器(Collimator)耦合到自由空间当中，并且从不同角度照射到传统DOVG上，这里的传统DOVG相当于一个复用器，这N束光经过传统DOVG后会在其衍射的共轭方向上各自形成一个特定拓扑核轨道角动量光束模式，并且这N个模式复用在一起，同轴地在自由空间中传播。以上就是信号发生端的组成。用N个准独立的光源模拟N个终端，用DOVG作为一个轨道角动量模式复用器，将N个终端的信号复用在一起，进行传输。

光束在自由空间中传播一段距离后照射到空间光调节器(SLM)上，这里的空间光调制器的作用就相当于一个路由器，也是实现动态路由的核心器件。SLM可以实现任意的相位分布，本发明设计的新型DOVG就是加载在SLM，通过动态调整光栅中l_mn参数，就可以实现各种动态的网路功能。通过调整l_mn可以使想要的轨道角动量信道衍射到特定的接收终端的位置，比如信号接收端3第mn个终端希望接受来自l₁信道的信息，通过SLM将l_mn参数设置为-l₁，就可以将l₁信道的信息衍射到第mn终端所在的位置，光束通过一个空间小孔滤波器，进过一个显微物镜耦合到光纤当中，在传输至探测器(detection)进行信息的读取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型涡旋达曼光栅模型，其特征在于，所述新型涡旋达曼光栅模型加载于空间光调制器上，用于将入射光束分为若干衍射级次，对于任一衍射级次对应轨道角动量光束的拓扑核值可自定义，使得所述空间光调制器可根据其加载的新型涡旋达曼光栅模型定义的拓扑核信息对空间光进行调制。

2.如权利要求1所述的新型涡旋达曼光栅模型，其特征在于，以M、N表示光束经所述新型涡旋达曼光栅模型后分成的分别在x、y方向的总衍射级次数量；mn、l_mn表示某一级次及其对应的拓扑核，θ为极坐标系下的角向坐标，则所述涡旋达曼光栅模型可表示为：

$\exp \[i\mathrm{\Φ}\left(x,y\right)\]={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}_{m=-\frac{M}{2}}^{\frac{M}{2}}\frac{1}{\sqrt{MN}}\exp \[i\×\left(\frac{2\mathrm{\π}nx}{T}+\frac{2\mathrm{\π}my}{T}+l_{mn}\mathrm{\θ}\right)\].$

3.如权利要求1所述的新型涡旋达曼光栅模型，其特征在于，所述新型涡旋达曼光栅模型为连续型结构。

4.一种基于上述权利要求1-3任一项所述的新型涡旋达曼光栅模型的动态可重构路由系统，其特征在于，包括信号发生端、动态路由器和信号接收端；

所述信号发生端，用于产生复用的具备特定拓扑核的轨道角动量光束；

所述动态路由器，用于将所述信号发生端的复用光束进行解复用，并将不同拓扑核的轨道角动量光束在自由空间特定位置还原成高斯型实心光束；

所述信号接收端，用于读取所述高斯型实心光束。

5.如权利要求4所述的动态可重构路由系统，其特征在于，所述信号发生器包括：光发射器、调制器、分束器、放大器、空间准直器以及涡旋达曼光栅；

所述光发射器用于发射光束，发射的光束通过所述调制器进行调制后形成高速光信号，所述高速光信号进入所述分束器被均匀分成若干均匀光束，每一均匀光束通过所述放大器进行功率放大并去相关后形成独立光束，若干所述独立光束经所述空间准直器耦合至自由空间，并从不同角度照射至所述涡旋达曼光栅，之后在其共轭衍射级次处形成复用在一起的具备特定拓扑核的多个轨道角动量光束同轴的光束。

6.如权利要求5所述的动态可重构路由，其特征在于，所述动态路由器包括空间光调制器，所述空间光调制器上加载有所述新型涡旋达曼光栅模型，所述新型涡旋达曼光栅的拓扑核与发射端的轨道角动量光束的拓扑核对应；

所述轨道角动量光束经所述新型涡旋达曼光栅模型衍射后，不同拓扑核的轨道角动量光束在自由空间特定位置还原成高斯型实心光束。

7.如权利要求6所述的动态可重构路由，其特征在于，所述信号接收端包括：小孔滤波器、显微物镜以及探测器；所述显微物镜与探测器之间通过光纤连接；

所述高斯型实心光束通过所述小孔滤波器去除杂散光，经所述显微物镜进行聚焦耦合进入所述光纤后传输至所述探测器进行信息读取。