CN105388635A - 任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法及其分离子系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法及其分离子系统，该方法借助光的偏振性质,通过级联多个复用轨道角动量态分离子系统实现任意复用轨道角动量态的非破坏分离。对于每个子系统，输入复用态中的每个轨道角动量态在经过一系列偏振操作后，都会根据各自的相位特征，投影到水平极化或垂直极化两个极化方向上。通过级联n层复用轨道角动量态分离子系统，即可实现2ⁿ个轨道角动量态复用光束的非破坏分离。这种分离方法，一方面有着良好的分离效果，不会对轨道角动量态的空间结构产生破坏；另一方面，分离过程所需的光学器件并不复杂、易于制造，且对现有的光通信技术有着较好的兼容性和适用性。

Description

任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法及其分离子系统

技术领域

本发明涉及一种任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法，属于光学及无线通信的技术领域。

背景技术

光子是信息传递的重要载体，光子的能量、线动量和偏振态都可作为自由度携带信息。与其他自由度一样，光子的角动量也在近几年被证实是一种新型的信息载体。角动量分为自旋角动量(英文名称为spinangularmomentum,简称为SAM)和轨道角动量(英文名称为orbitangularmomentum,简称为OAM)两种，其中自旋角动量与光子的极化有关，即和偏振相关；而轨道角动量则与光子的空间分布有关。1992年，Allen等人证实了在具有exp(ilθ)相位因子的拉盖尔-高斯光束(英文简称为LG)中，每个光子的轨道角动量为l，其中l称为拓扑荷(英文名称为topologicalcharge)；随后，Gibson等人于2004年给出轨道角动量可用于信息传输的实验验证，证实了不同轨道角动量可用来表示不同的信息，通过光束的传输，信息最终可以在接收端被解调、获取，且这种传输方法具有很好的安全性。2011年，Willner小组提出了一种基于复用轨道角动量态的自由空间光通信系统方案，并结合LG光的极化复用和16QAM调制技术，实现了速率为1.37Tbit/s,频带利用率可达25.6bit/s/Hz的高速通信系统。由于OAM态的l取值可从负无穷至正无穷，且不同l值的OAM态之间相互正交，因此OAM态可实现一种类似于波长、相位等物理量的新型复用自由度，极大地提升通信系统的传输速率和频带利用率。

但是，目前在已有的复用OAM态通信系统中,每个OAM态的分离需由一个独立的检测支路来完成，且每个独立的检测支路上通常需要使用一个价格昂贵的空间光调制器(即：SLM),这极大地增加了通信系统的成本，限制了数据的高速传输实施。如何有效、低价的解调复用OAM态现成为复用OAM态系统可实施的关键问题。

2002年，J.Leach等人提出使用多个马赫-曾德尔干涉仪(英文名称为Mach-Zehnder)的方法对任意多的OAM态分离的方法,其效率可以达到100％。但是,当使用这种方法分离较多的OAM态时系统结构将会非常复杂，且Mach-Zehnder干涉过程的实现较为复杂。2010年，MartinP.J.Lavery等人提出了一种高效分离OAM态的新方法，基于静态光学原理，运用坐标变换将螺旋相位的光束转变为横向的具有相位梯度的光，再通过透镜将每个OAM态的光聚焦到不同的横向位置上，从而区分不同的OAM态，但实现时仍需要用到昂贵的设备——空间光调制器，且分离完成后OAM态的空间结构将会被破坏。2014年，LixiangChen等人提出了一种基于光的偏振性质分离轨道角动量态的方法，该方法的实施结构仍比较复杂，且没有给出分离拓扑荷相反的复用OAM态(即+l和-l复用的OAM态)的具体方案。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于解决上述现有分离方法的不足，提供了一种非破坏分离任意复用轨道角动量态的方法，该方法可以实现包括负l值在内的全部轨道角动量本征态的分离，同时能够保证分离后每个轨道角动量态空间结构的完整性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种非破坏分离任意复用轨道角动量态的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：产生一束复用轨道角动量态光束，其中的n个正l值轨道角动量态由水平极化光产生，m个负l值轨道角动量态由垂直极化光产生；

步骤2：入射的复用轨道角动量态光束经过一个极化分束器被分成两路，其中水平极化光进入正l值复用轨道角动量态分离系统，垂直极化光进入负l值复用轨道角动量态分离系统。这两个系统都是相互独立的级联系统，分别实现复用轨道角动量态正l值部分和负l值部分的分离；

步骤3：两路光束分别进入正l值复用轨道角动量态分离系统和负l值复用轨道角动量态分离系统。两个级联系统的第1级子系统均由1个复用轨道角动量态分离子系统组成，其中核心器件道威棱镜的放置角度均为45°。通过第1级子系统后，复用的轨道角动量态会根据l值的奇偶，即以l值的差值为1，分离成两路；

步骤i：经第i-1级子系统分离的光束有2^i-1路，因而第i级子系统由2^i-1个复用轨道角动量态分离子系统组成，其中核心器件道威棱镜的放置角度均为45°/2^i-1。通过第i级子系统后，复用轨道角动量态会以l值的差值为2^i-1实现分离，共分离成2ⁱ路。

重复步骤i，直至所有的轨道角动量态都被分离。

本发明的方法是以偏振光学理论为基础的一种复用轨道角动量态的分离方法，以各个独立的轨道角动量态由线偏振光产生为前提，且要求具有相同的偏振方向。

本发明上述方法应用于分离所有包括负l值在内的轨道角动量本征态，并保持其空间结构的完整性。

本发明上述方法应用于由复用轨道角动量态分离子系统级联组成的分离系统。

本发明还提供了一种复用轨道角动量态分离子系统，该子系统是实现非破坏分离任意复用轨道角动量态方法的基本结构。每个复用轨道角动量态分离子系统包括：入射光偏振方向调整模块、圆极化光分离模块、相位调整模块、圆极化光合并模块和分离模块。

入射光偏振方向调整模块的功能是：将入射的线偏振光调节为水平极化光。

圆极化光分离模块的功能是：实现水平极化光中左圆极化分量和右圆极化分量的分离，即 $|H>=(1/\sqrt{2})\left(\right|R>+|L>).$

相位调整模块的功能是：同时对分离的左圆极化分量和右圆极化分量进行相应的相位调整(通过道威棱镜实现)，且相位的改变量与对应的轨道角动量态的l值有关。数学上可表示为： $\underset{l}{\Σ}(1/\sqrt{2})\left(\exp \right(il\mathrm{\α}\left)\right|R>+\exp \left(-il\mathrm{\α}\right)|L>)\⊗|l>,$ 其中α为道威棱镜对应两路光束的相对夹角。

圆极化光合并模块的功能是：将经过相位调整的左圆极化分量和右圆极化分量重新合并成一路束光，此时不同的轨道角动量态将根据各自的相位特征，即l值，投影到两个相互垂直的极化方向上。数学上可表示为： $\underset{l}{\Σ}(1/\sqrt{2})\left(\sin \right(il\mathrm{\α}\left)\right|H>-cos\left(il\mathrm{\α}\right)|V>)\⊗|l>.$

分离模块的功能是：对两个相互垂直的极化方向上的光束进行分离。

本发明的复用轨道角动量态分离子系统是由2个二分之一波片、2个四分之一波片、2个极化分束器、4个反射镜和1个道威棱镜组成。每个复用轨道角动量态分离子系统只能根据l值的类型将复用的轨道角动量态分成两组，因此若要完全区分所有的轨道角动量态，就需级联要多个复用轨道角动量态分离子系统。对于每个复用轨道角动量态分离子系统而言，上一级子系统的每个输出，都将作为下一级每个子系统的输入，这种级联结构一直持续到将所有的轨道角动量态分离为止。

有益效果：

1、本发明能够将简单的偏振光学操作应用到对复用轨道角动量态分离的技术中，简化了分离的过程，降低了分离的难度。

2、本发明能够实现对复用轨道角动量态的非破坏性分离，即分离后保持所有轨道角动量态结构的完整性。

3、本发明适用于分离所有包括负l值在内的所有轨道角动量本征态。

4、本发明分离效果好，所需的光学器件简单、低廉，因而易于制造后期的设备，且对现有的光通信技术具有很好的兼容性和适用性。

5、本发明结构简单、组建灵活，通过增加或减少复用轨道角动量态分离子系统的级联数目和调整每个子系统中道威棱镜的放置角度，即可灵活的实现不同复用轨道角动量态的分离。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明分离子系统的工作流程图。

图3为本发明两个相互正交的偏振态示意图。

图4为本发明分离子系统的结构示意图。

图5为本发明分离子系统的级联示意图。

图6为本发明的方案示意图1(分离8个轨道角动量态，l＝1，2，3，4，5，6，7，8)。

图7为本发明的方案示意图2(分离16个轨道角动量态，l＝±1，±2，±3，±4，±5，±6，±7，±8)。

图8为本发明方案的仿真结果图1(分离8个轨道角动量态，l＝1，2，3，4，5，6，7，8)。

图9为本发明方案的仿真结果图2(分离16个轨道角动量态，l＝±1，±2，±3，±4，±5，±6，±7，±8)。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明专利作进一步的详细说明。

实施例一

本发明提供了一种非破坏分离任意复用轨道角动量态的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：产生一束复用轨道角动量态光束，其中的n个正l值轨道角动量态由水平极化光产生，m个负l值轨道角动量态由垂直极化光产生；

步骤2：如图1所示，入射的复用轨道角动量态光束经过一个极化分束器被分成两路，其中水平极化光进入正l值复用轨道角动量态分离系统，垂直极化光进入负l值复用轨道角动量态分离系统。这两个系统都是相互独立的级联系统，分别实现复用轨道角动量态正l值部分和负l值部分的分离；

步骤3：如图1所示，两路光束分别进入正l值复用轨道角动量态分离系统和负l值复用轨道角动量态分离系统。两个级联系统的第1级子系统均由1个复用轨道角动量态分离子系统组成，其中核心器件道威棱镜的放置角度均为45°。通过第1级子系统后，复用的轨道角动量态会根据l值的奇偶，即以l值的差值为1，分离成两路；

步骤i：经第i-1级子系统分离的光束有2^i-1路，因而第i级子系统由2^i-1个复用轨道角动量态分离子系统组成，其中核心器件道威棱镜的放置角度均为45°/2^i-1。通过第i级子系统后，复用轨道角动量态会以l值的差值为2^i-1实现分离，共分离成2ⁱ路。

重复步骤i，直至所有的轨道角动量态都被分离。

实施例二

本发明提供了一种复用轨道角动量态分离子系统，该子系统是实现非破坏分离任意复用轨道角动量态方法的基本结构。每个复用轨道角动量态分离子系统包括：入射光偏振方向调整模块、圆极化光分离模块、相位调整模块、圆极化光合并模块和分离模块，其工作流程图如图2所示。

入射光偏振方向调整模块的功能是：将入射的线偏振光调节为水平极化光。

圆极化光分离模块的功能是：实现水平极化光中左圆极化分量和右圆极化分量的分离，即 $|H>=(1/\sqrt{2})\left(\right|R>+|L>).$

相位调整模块的功能是：同时对分离的左圆极化分量和右圆极化分量进行相应的相位调整(通过道威棱镜实现)，且相位的改变量与对应的轨道角动量态的l值有关。数学上可表示为： $\underset{l}{\Σ}(1/\sqrt{2})\left(\exp \right(il\mathrm{\α}\left)\right|R>+\exp \left(-il\mathrm{\α}\right)|L>)\⊗|l>,$ 其中α为道威棱镜对应两路光束的相对夹角。

圆极化光合并模块的功能是：将经过相位调整的左圆极化分量和右圆极化分量重新合并成一路束光，此时不同的轨道角动量态将根据各自的相位特征，即l值，投影到两个相互垂直的极化方向上，如图3所示。数学上可表示为：

分离模块的功能是：对两个相互垂直的极化方向上的光束进行分离。

本发明的复用轨道角动量态分离子系统的结构示意图如图4所示，其是由2个二分之一波片、2个四分之一波片、2个极化分束器、4个反射镜和1个道威棱镜组成。每个复用轨道角动量态分离子系统只能根据l值的类型将复用的轨道角动量态分成两组，因此若要完全区分所有的轨道角动量态，就需级联要多个复用轨道角动量态分离子系统。复用轨道角动量态分离子系统的级联示意图如图5所示，上一级子系统的每个输出，都将作为下一级每个子系统的输入，这种级联结构一直持续到将所有的轨道角动量态分离为止。

实施例三

假设一束复用轨道角动量态光束中的n个正l值轨道角动量态由水平极化光产生，m个负l值轨道角动量态由垂直极化光产生，那么该复用态可记为：

$|H>\⊗\left(\right|l_1>+|l_2>+|l_3>+...+|l_n>)+|V>\⊗\left(\right|-l_1^{\′}>+|-l_2^{\′}>+|-l_3^{\′}>+...+|-l_m^{\′}>)$

利用本发明方法的具体分离步骤如下：

步骤一：首先让复用轨道角动量态光束入射一个极化分束器(图5中记为PBS0)，那么通过的光束为反射的光束为之后这两路光束分别通过两个级联结构的分离系统，即一个正l值复用轨道角动量态分离系统和一个负l值复用轨道角动量态分离系统。(之后步骤以正l值复用轨道角动量态分离系统为例说明，负l值复用轨道角动量态分离系统与之类似)

步骤二：复用的轨道角动量态光束首先入射第1级的复用轨道角动量态分离子系统。

步骤1：首先通过一个二分之一波片(图5中记为HWP1)，由于输入光束已经是水平极化光因此不需要调节该二分之一波片。由于 $|H>=(1/\sqrt{2})\left(\right|R>+|L>),$ 因此对上述表达式展开可以得到：

$(1/\sqrt{2})\left(\right|R>+|L>)\⊗\left(\right|l_1>+|l_2>+|l_3>+...+|l_n>)$

其中R表示右圆极化，L表示左圆极化。

步骤2：接着通过一个旋转45°的四分之一波片(图5中记为QWP1)，分别将光束的右圆极化和左圆极化分量转换成水平和垂直极化分量。

步骤3：随后通过一个极化分束器(图5中记为PBS1)，即可将光束 $\left(\frac{1-i}{2}\right|V>+\frac{1+i}{2}|H>)\⊗\left(\right|l_1>+|l_2>+...|l_n>)$ 分离成水平极化和垂直极化两个部分，即：

$\frac{1-i}{2}|V>\⊗\left(\right|l_1>+|l_2>+...|l_n>)$ 和 $\frac{1+i}{2}|H>\⊗\left(\right|l_1>+|l_2>+...|l_n>)$

上述2个表达式分别对应变化前的右圆极化和左圆极化分量。

步骤4：之后分离的两路光束分别通过不同的光路相向入射道威棱镜(图5中记为DOVE1)，之后又再次在PBS1上合并出射。将DOVE1的放置角度调整为45°，其对应于两路光束的相对夹角α＝90°，两路光束相向通过DOVE1后，其中一路光束的相位变化为：(-il₁α)|l₁>+exp(-il₂α)|l₂>+...exp(-il_nα)|l_n>，另一路的相位变化则为exp(il₁α)|l₁>+exp(il₂α)|l₂>+...exp(il_nα)|l_n>。考虑到光路反射的影响，光束经过4次反射后从PBS1射出，最终可表示为：

$\frac{\mathrm{1+}i}{2}|H>\⊗\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_1\mathrm{\α}\left)\right|l_1>+\exp \left(-{\mathrm{il}}_2\mathrm{\α}\right)|l_2>+...\exp (-{\mathrm{il}}_n\mathrm{\α}\left)\right|l_n>)$

光束经过6次反射后从PBS1射出，最终可表示为：

$\frac{i-1}{2}|V>\⊗\left(\exp \right({\mathrm{il}}_1\mathrm{\α}\left)\right|l_1>+\exp \left({\mathrm{il}}_2\mathrm{\α}\right)|l_2>+...\exp ({\mathrm{il}}_n\mathrm{\α}\left)\right|l_n>).$

因此，最终从PBS1出射的光束为：

$\begin{array}{c}\frac{1+i}{2}|H>\⊗\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_1\mathrm{\α}\left)\right|l_1>+\exp \left(-{\mathrm{il}}_2\mathrm{\α}\right)|l_2>+...\exp (-{\mathrm{il}}_n\mathrm{\α}\left)\right|l_n>)+\frac{i-1}{2}|V>\⊗\\ \left(\exp \right({\mathrm{il}}_1\mathrm{\α}\left)\right|l_1>+\exp \left({\mathrm{il}}_2\mathrm{\α}\right)|l_2>+...\exp ({\mathrm{il}}_n\mathrm{\α}\left)\right|l_n>)\end{array}$

步骤5：从PBS1出射的光束再次通过一个旋转-45°四分之一波片(图5中记为QWP2)，以恢复步骤2中QWP1的操作。

经过整理，通过四分之一波片(QWP2)的光束可以描述为：

$\begin{array}{c}\frac{i}{\sqrt{2}}\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_1\mathrm{\α}\left)\right|L>-\exp \left({\mathrm{il}}_1\mathrm{\α}\right)|R>)\⊗|l_1>+\frac{i}{\sqrt{2}}\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_2\mathrm{\α}\left)\right|L>-\exp \left({\mathrm{il}}_1\mathrm{\α}\right)|R>)\\ \⊗|l_2>+...\frac{i}{\sqrt{2}}\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_n\mathrm{\α}\left)\right|L>-\exp \left({\mathrm{il}}_n\mathrm{\α}\right)|R>)\⊗|l_n>\end{array}$

进一步化简可得：

$\begin{array}{c}\left(sin\right(l_n\mathrm{\α}\left)\right|H>-cos\left(l_n\mathrm{\α}\right)|V>)\⊗|l_1>+(sin\left(l_n\mathrm{\α}\right)|H>-cos(l_n\mathrm{\α}\left)\right|V>)\⊗|l_2>+...\\ \left(sin\right(l_n\mathrm{\α}\left)\right|H>-cos\left(l_n\mathrm{\α}\right)|V>)\⊗|l_n>\end{array}$

因为第1级子系统中道威棱镜(Dove1)的相对夹角α＝90°，所以当l为偶数时，有：

当l为奇数时，则有：

步骤6：此时不需要调节之后的二分之一波片(图5中记为HWP2)，即可通过极化分束器(图5中记为PBS2)将水平极化和垂直极化这两个方向上的光束分离。

通过第1级复用轨道角动量态分离子系统，复用轨道角动量态的偶数l值部分和奇数l值部分得以分离。

步骤三：l值为偶数的复用轨道角动量态光束和l值为奇数的复用轨道角动量态光束分别入射第2级两个复用轨道角动量态分离子系统。在第2级子系统中，以l值为偶数的复用轨道角动量态光束支路为例来描述其分离过程，假设该支路光束的表达式为： $|V>\⊗\left(\right|l_{e_1}>+|l_{e_2}>+...|l_{e_m}>),$ 那么具体操作步骤如下：

步骤1：首先通过一个旋转45°的二分之一波片(图4中记为HWP3)将入射光束调节成水平极化光束，记为 $|H>\⊗\left(\right|l_{e_1}>+|l_{e_2}>+...|l_{e_m}>).$ 由于 $|H>=(1/\sqrt{2})\left(\right|R>+|L>),$ 因此对上述表达式展开可以得到： $(1/\sqrt{2})\left(\right|R>+|L>)\⊗\left(\right|l_{e_1}>+|l_{e_2}>+...|l_{e_m}>).$

步骤2：接着通过一个旋转45°的四分之一波片(图5中记为QWP3)，分别将光束的右圆极化和左圆极化分量转换成水平和垂直极化分量。

步骤3：随后通过一个极化分束器(图5中记为PBS3)，即可将光束 $\left(\frac{1-i}{2}\right|V>+\frac{1+i}{2}|H>)\⊗\left(\right|l_{e_1}>+|l_{e_2}>+...|l_{e_m}>)$ 分离成水平极化和垂直极化两个部分，即：

$\frac{1-i}{2}|V>\⊗\left(\right|l_{e_1}>+|l_{e_2}>+...|l_{e_m}>)$ 和 $\frac{1+i}{2}|H>\⊗\left(\right|l_{e_1}>+|l_{e_2}>+...|l_{e_m}>)$

步骤4：之后分离的2路光束分别通过不同的光路相向入射道威棱镜(图5中记为DOVE2)后又再次在PBS3上合并出射。将DOVE2的放置角度调整为22.5°，其对应于两路光束的相对夹角α＝45°，两路光束相向通过DOVE2，其中一路光束的相位变化为： $\exp (-{\mathrm{il}}_{e_1}\mathrm{\α})|l_{e_1}>+\exp (-{\mathrm{il}}_{e_2}\mathrm{\α})|l_{e_2}>+...\exp (-{\mathrm{il}}_{e_n}\mathrm{\α})|l_{e_n}>,$ 另一路的相位变化则为 $\exp \left({\mathrm{il}}_{e_1}\mathrm{\α}\right)|l_{e_1}>+\exp \left({\mathrm{il}}_{e_2}\mathrm{\α}\right)|l_{e_2}>+...\exp \left({\mathrm{il}}_{e_n}\mathrm{\α}\right)|l_{e_n}>.$ 考虑到光路反射的影响，光束经过4次反射后从PBS3射出，最终可表示为：

$\frac{\mathrm{1+}i}{2}|H>\⊗\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_{e_1}\mathrm{\α}\left)\right|l_{e_1}>+\exp \left(-{\mathrm{il}}_{e_2}\mathrm{\α}\right)|l_{e_2}>+...\exp (-{\mathrm{il}}_{e_n}\mathrm{\α}\left)\right|l_{e_n}>)$

光束经过6次反射后从PBS3射出，最终可表示为：

$\frac{i-1}{2}|V>\⊗\left(\exp \right({\mathrm{il}}_{e_1}\mathrm{\α}\left)\right|l_{e_1}>+\exp \left({\mathrm{il}}_{e_2}\mathrm{\α}\right)|l_{e_2}>+...\exp ({\mathrm{il}}_{e_n}\mathrm{\α}\left)\right|l_{e_n}>).$

因此，最终从PBS3出射的光束为：

$\begin{array}{c}\frac{1+i}{2}|H>\⊗\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_{e_1}\mathrm{\α}\left)\right|l_{e_1}>+\exp \left(-{\mathrm{il}}_{e_2}\mathrm{\α}\right)|l_{e_2}>+...\exp (-{\mathrm{il}}_{e_n}\mathrm{\α}\left)\right|l_{e_n}>)+\frac{i-1}{2}|V>\\ \⊗\left(\exp \right({\mathrm{il}}_{e_1}\mathrm{\α}\left)\right|l_{e_1}>+\exp \left({\mathrm{il}}_{e_2}\mathrm{\α}\right)|l_{e_2}>+...\exp ({\mathrm{il}}_{e_n}\mathrm{\α}\left)\right|l_{e_n}>)\end{array}$

步骤5：从PBS3出射的光束再次通过一个旋转-45°四分之一波片(图5中记为QWP4)，以恢复步骤2中QWP3的操作。

经过整理，通过四分之一波片(QWP4)的光束可以描述为：

$\begin{array}{c}\frac{i}{\sqrt{2}}\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_{e_1}\mathrm{\α}\left)\right|L>-\exp \left({\mathrm{il}}_{e_1}\mathrm{\α}\right)|R>)\⊗|l_{e_1}>+\frac{i}{\sqrt{2}}\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_{e_2}\mathrm{\α}\left)\right|L>-\exp \left({\mathrm{il}}_{e_2}\mathrm{\α}\right)|R>)\\ \⊗|l_{e_2}>+...\frac{i}{\sqrt{2}}\left(\exp \right(-{\mathrm{il}}_{e_m}\mathrm{\α}\left)\right|L>-\exp \left({\mathrm{il}}_{e_m}\mathrm{\α}\right)|R>)\⊗|l_{e_m}>\end{array}$

进一步化简可得：

$\begin{array}{c}\left(sin\right(l_{e_1}\mathrm{\α}\left)\right|H>-cos\left(l_{e_1}\mathrm{\α}\right)|V>)\⊗|l_{e_1}>+(sin\left(l_{e_2}\mathrm{\α}\right)|H>-cos(l_{e_2}\mathrm{\α}\left)\right|V>)\⊗|l_{e_2}>+...\\ ...\left(sin\right(l_{e_m}\mathrm{\α}\left)\right|H>-cos\left(l_{e_m}\mathrm{\α}\right)|V>)\⊗|l_{e_m}>\end{array}$

因为第2级子系统中道威棱镜(Dove2)的相对夹角α＝45°，所以当l_2even＝2(2n)时(n为任意整数)，有：

当l_2odd＝2(2n+1)时(n为任意整数)，则有：

步骤6：此时不需要调节之后的二分之一波片(图5中记为HWP4)，即可通过一个极化分束器(图5中记为PBS4)实现l＝2(2n)的轨道角动量态光束和l＝2(2n+1)的轨道角动量态光束之间的分离，即以l值的差值为2进行分离。

步骤四：重复步骤三的过程，需要注意的是第i级中2^i-1个复用轨道角动量态分离子系统内道威棱镜的放置角度相同，都为α＝45°/2^i-1。该步骤一直重复持续到每个轨道角动量态都被分离出来。

实施例四

利用线偏振光产生一束由8个不同的轨道角动量态(l＝1，2，3，4，5，6，7，8)组成的复用态光束。分离该复用轨道角动量态的具体过程如下：

步骤一.：光束通过第1级复用轨道角动量态分离子系统

二分之一波片(图6中记为HWP1)将复用的线偏振光束转化成水平极化光束，根据入射光束之后通过一个四分之一波片(图6中记为QWP1)和极化分束器(图6中记为PBS1)的组合，就可实现水平极化光束中右圆极化和左圆极化分量的分离。接着，将2束光沿同一闭合光路的不同方向，相向入射45°放置、相对夹角α＝90°的道威棱镜(图6中记为Dove1)。之后，这2束光重新在极化分束器(PBS1)上合束，出射后通过另一个四分之一波片(图6中记为QWP2)，实现第一个四分之一波片(图6中记为QWP1)的逆操作。此时不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(90\left)\right|H>-cos\left(90\right)|V>)\⊗|l=1>=|H>\⊗|l=1>$

$\left(sin\right(180\left)\right|H>-cos\left(180\right)|V>)\⊗|l=2>=|V>\⊗|l=2>$

$\left(sin\right(270\left)\right|H>-cos\left(270\right)|V>)\⊗|l=3>=-|H>\⊗|l=3>$

$\left(sin\right(360\left)\right|H>-cos\left(360\right)|V>)\⊗|l=4>=-|V>\⊗|l=4>$

$\left(sin\right(450\left)\right|H>-cos\left(450\right)|V>)\⊗|l=5>=|H>\⊗|l=5>$

$\left(sin\right(540\left)\right|H>-cos\left(540\right)|V>)\⊗|l=6>=|V>\⊗|l=6>$

$\left(sin\right(630\left)\right|H>-cos\left(630\right)|V>)\⊗|l=7>=-|H>\⊗|l=7>$

$\left(sin\right(720\left)\right|H>-cos\left(720\right)|V>)\⊗|l=8>=-|V>\⊗|l=8>$

值得注意的是：上述表达式中的负号不影响极化光束的分离，因此后续推导忽略正负的影响。

最后利用二分之一波片(图6中记为HWP2)极化分束器(图6中记为PBS2)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平偏极化和垂直极化分成两组，其中一组为：

$|H>\⊗|l=1>,|H>\⊗|l=3>,|H>\⊗|l=5>$ 和 $|H>\⊗|l=7>$

另一组为：

$|V>\⊗|l=2>,|V>\⊗|l=4>,|V>\⊗|l=6>$ 和 $|V>\⊗|l=8>$

步骤二：光束通过第2级两个复用轨道角动量态分离子系统

$|V>\⊗|l=2>,|V>\⊗|l=4>,|V>\⊗|l=6>$ 和 $|V>\⊗|l=8>$ 的光束按照类似的方式通过第2级第1个复用轨道角动量态分离子系统。需要注意的是，首先通过的二分之一波片(图6中记为HWP3)需要旋转45°，将入射的垂直极化光束转化成水平极化光束，此外道威棱镜(图6中记为Dove2)的放置角度需调整至22.5°，即相对夹角α＝45°。这样在最终分束前，不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(90\left)\right|H>-cos\left(90\right)|V>)\⊗|l=2>=|H>\⊗|l=2>$

$\left(sin\right(180\left)\right|H>-cos\left(180\right)|V>)\⊗|l=4>=|V>\⊗|l=4>$

$\left(sin\right(270\left)\right|H>-cos\left(270\right)|V>)\⊗|l=6>=-|H>\⊗|l=6>$

$\left(sin\right(360\left)\right|H>-cos\left(360\right)|V>)\⊗|l=8>=-|V>\⊗|l=8>$

最后利用二分之一波片(图6中记为HWP4)极化分束器(图6中记为PBS4)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=2>,|H>\⊗|l=6>$ 和 $|V>\⊗|l=4>,|V>\⊗|l=8>$

类似的， $|H>\⊗|l=1>,|H>\⊗|l=3>,|H>\⊗|l=5>$ 和 $|H>\⊗|l=7>$ 的光束通过第2级第2个复用轨道角动量态分离子系统后，光束也将再次被分为两个部分，与第2级第1个子系统稍有不同的是，首先通过的二分之一波片(图6中记为HWP5)不需要进行角度的调整。

最后，利用二分之一波片(图6中记为HWP6)极化分束器(图6中记为PBS6)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=1>,|H>\⊗|l=5>$ 和 $|V>\⊗|l=3>,|V>\⊗|l=7>$

步骤三：光束通过第3级4个复用轨道角动量态分离子系统

第3级子系统中，道威棱镜(图6中记为Dove4-7)的放置角度取11.25°，即相对夹角α＝22.5°。的光束在第3级第1个复用轨道角动量态分离子系统内，首先通过旋转45°的二分之一波片(图6中记HWP7)，将入射的垂直极化光转化成水平极化光。最终分离前，不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(90\left)\right|H>-cos\left(90\right)|V>)\⊗|l=4>=|H>\⊗|l=4>$

$\left(sin\right(180\left)\right|H>-cos\left(180\right)|V>)\⊗|l=8>=|V>\⊗|l=8>$

最后利用二分之一波片(图6中记HWP8)极化分束器(图6中记PBS8)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=4>$ 和 $|V>\⊗|l=8>$

的光束射入第3级第2个复用轨道角动量态分离子系统，在最终分离前，不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(45\left)\right|H>-cos\left(45\right)|V>)\⊗|l=2>$

$\left(sin\right(135\left)\right|H>-cos\left(135\right)|V>)\⊗|l=6>$

最后利用二分之一波片(图6中记HWP10)极化分束器(图6中记PBS10)的组合即

将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=2>$ 和 $|V>\⊗|l=6>$

类似的，通过第3级第3个和第4个复用轨道角动量态分离子系统，即可分别实现 $|H>\⊗|l=1>$ 和 $|V>\⊗|l=5>,|H>\⊗|l=3>$ 和 $|V>\⊗|l=7>$ 的分离。至此8个复用轨道角动量态就分离完成了。最终的分离结果如图8所示。

实施例五：

利用线偏振光产生一束由16个不同的轨道角动量态(l＝±1，±2，±3，±4，±5，±6，±7，±8)组成的复用态光束。其中l＝1，2，3，4，5，6，7，8由水平极化光产生，l＝-1，-2，-3，-4，-5，-6，-7，-8由垂直极化光产生。分离该复用轨道角动量态的具体过程如下：

步骤一：利用一个极化分束器(图7中记为PBS0)将入射的复用轨道角动量态光束按照l值的正负分成两路，分别进入正l值复用轨道角动量态分离系统和一个负l值复用轨道角动量态分离系统。

步骤二：进入正l值复用轨道角动量态分离系统的复用轨道角动量态光束的分离过程如下：

步骤1：光束通过第1级复用轨道角动量态分离子系统

二分之一波片(图7中记为HWP1)不需要对入射光束进行调整，根据入射光束之后通过一个四分之一波片(图7中记为QWP1)和极化分束器(图7中记为PBS1)的组合，就可实现水平极化光束中右圆极化和左圆极化分量的分离。接着，将两束光沿同一闭合光路的不同方向，相向入射45°放置、相对夹角α＝90°的道威棱镜(图7中记为Dove1)。之后，这2束光重新在极化分束器(PBS1)上合束，出射后通过另一个四分之一波片(图7中记为QWP2)，实现第一个四分之一波片(图7中记为QWP1)的逆操作。此时不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(90\left)\right|H>-cos\left(90\right)|V>)\⊗|l=1>=|H>\⊗|l=1>$

$\left(sin\right(180\left)\right|H>-cos\left(180\right)|V>)\⊗|l=2>=|V>\⊗|l=2>$

$\left(sin\right(270\left)\right|H>-cos\left(270\right)|V>)\⊗|l=3>=-|H>\⊗|l=3>$

$\left(sin\right(360\left)\right|H>-cos\left(360\right)|V>)\⊗|l=4>=-|V>\⊗|l=4>$

$\left(sin\right(450\left)\right|H>-cos\left(450\right)|V>)\⊗|l=5>=|H>\⊗|l=5>$

$\left(sin\right(540\left)\right|H>-cos\left(540\right)|V>)\⊗|l=6>=|V>\⊗|l=6>$

$\left(sin\right(630\left)\right|H>-cos\left(630\right)|V>)\⊗|l=7>=-|H>\⊗|l=7>$

$\left(sin\right(720\left)\right|H>-cos\left(720\right)|V>)\⊗|l=8>=-|V>\⊗|l=8>$

值得注意的是：上述表达式中的负号不影响极化光束的分离，因此后续推导忽略正负的影响。

最后利用二分之一波片(图7中记为HWP2)极化分束器(图7中记为PBS2)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平偏极化和垂直极化分成两组，其中一组为：

$|H>\⊗|l=1>,|H>\⊗|l=3>,|H>\⊗|l=5>$ 和 $|H>\⊗|l=7>$

另一组为：

$|V>\⊗|l=2>,|V>\⊗|l=4>,|V>\⊗|l=6>$ 和 $|V>\⊗|l=8>$

步骤2：光束通过第2级两个复用轨道角动量态分离子系统

$|V>\⊗|l=2>,|V>\⊗|l=4>,|V>\⊗|l=6>$ 和 $|V>\⊗|l=8>$ 的光束按照类似的方式通过第2级第1个复用轨道角动量态分离子系统。需要注意的是，首先通过的二分之一波片(图7中记为HWP3)需要旋转45°，将入射的垂直极化光束转化成水平极化光束，此外道威棱镜(图7中记为Dove2)的放置角度需调整至22.5°，即相对夹角α＝45°。这样在最终分束前，不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(90\left)\right|H>-cos\left(90\right)|V>)\⊗|l=2>=|H>\⊗|l=2>$

$\left(sin\right(180\left)\right|H>-cos\left(180\right)|V>)\⊗|l=4>=|V>\⊗|l=4>$

$\left(sin\right(270\left)\right|H>-cos\left(270\right)|V>)\⊗|l=6>=-|H>\⊗|l=6>$

$\left(sin\right(360\left)\right|H>-cos\left(360\right)|V>)\⊗|l=8>=-|V>\⊗|l=8>$

最后利用二分之一波片(图7中记为HWP4)极化分束器(图7中记为PBS4)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=2>,|H>\⊗|l=6>$ 和 $|V>\⊗|l=4>,|V>\⊗|l=8>$

类似的， $|H>\⊗|l=1>,|H>\⊗|l=3>,|H>\⊗|l=5>$ 和 $|H>\⊗|l=7>$ 的光束通过第2级第2个复用轨道角动量态分离子系统后，光束也将再次被分为两个部分，与第2级第1个子系统稍有不同的是，首先通过的二分之一波片(图7中记为HWP5)不需要进行角度的调整。

最后，利用二分之一波片(图7中记为HWP6)极化分束器(图7中记为PBS6)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=1>,|H>\⊗|l=5>$ 和 $|V>\⊗|l=3>,|V>\⊗|l=7>$

步骤3：光束通过第3级4个复用轨道角动量态分离子系统

在第3级子系统中，道威棱镜(图7中记为Dove4-7)的放置角度取11.25°，即相对夹角α＝22.5°。的光束在第3级第1个复用轨道角动量态分离子系统内，首先通过旋转45°的二分之一波片(图7中记HWP7)，将入射的垂直极化光转化成水平极化光。最终分离前，不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(90\left)\right|H>-cos\left(90\right)|V>)\⊗|l=4>=|H>\⊗|l=4>$

$\left(sin\right(180\left)\right|H>-cos\left(180\right)|V>)\⊗|l=8>=|V>\⊗|l=8>$

最后利用二分之一波片(图7中记HWP8)极化分束器(图7中记PBS8)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=4>$ 和 $|V>\⊗|l=8>$

的光束射入第3级第2个复用轨道角动量态分离子系统，在最终分离前，不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(45\left)\right|H>-cos\left(45\right)|V>)\⊗|l=2>$

$\left(sin\right(135\left)\right|H>-cos\left(135\right)|V>)\⊗|l=6>$

最后利用二分之一波片(图7中记HWP10)极化分束器(图7中记PBS10)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=2>$ 和 $|V>\⊗|l=6>$

类似的，通过第三级第3个和第4个复用轨道角动量态分离子系统，即可分别实现 $|H>\⊗|l=1>$ 和 $|V>\⊗|l=5>,|H>\⊗|l=3>$ 和 $|V>\⊗|l=7>$ 的分离。至此8个正l值复用的轨道角动量态就分离完成了。

步骤三：进入负l值复用轨道角动量态分离系统的复用轨道角动量态光束的分离过程如下：

步骤1：光束通过第1级复用轨道角动量态分离子系统

二分之一波片(图7中记为HWP1’)首先将复用的垂直极化光束转化成水平极化光束，根据入射光束之后通过一个四分之一波片(图7中记为QWP1’)和极化分束器(图7中记为PBS1’)的组合，就可实现水平极化光束中右圆极化和左圆极化分量的分离。接着，将两束光沿同一闭合光路的不同方向，相向入射45°放置、相对夹角α＝90°的道威棱镜(图7中记为Dove1’)。之后，这2束光重新在极化分束器(PBS1’)上合束，出射后通过另一个四分之一波片(图7中记为QWP2’)，实现第一个四分之一波片(图7中记为QWP1’)的逆操作。此时不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(-90\left)\right|H>-cos(-90)|V>)\⊗|l=-1>=-|H>\⊗|l=-1>$

$\left(sin\right(-180\left)\right|H>-cos(-180)|V>)\⊗|l=-2>=|V>\⊗|l=-2>$

$\left(sin\right(-270\left)\right|H>-cos(-270)|V>)\⊗|l=-3>=|H>\⊗|l=-3>$

$\left(sin\right(-360\left)\right|H>-cos(-360)|V>)\⊗|l=-4>=-|V>\⊗|l=-4>$

$\left(sin\right(-450\left)\right|H>-cos(-450)|V>)\⊗|l=-5>=-|H>\⊗|l=-5>$

$\left(sin\right(-540\left)\right|H>-cos(-540)|V>)\⊗|l=-6>=|V>\⊗|l=-6>$

$\left(sin\right(-630\left)\right|H>-cos(-630)|V>)\⊗|l=-7>=|H>\⊗|l=-7>$

$\left(sin\right(-720\left)\right|H>-cos(-720)|V>)\⊗|l=-8>=-|V>\⊗|l=-8>$

值得注意的是：上述表达式中的负号不影响极化光束的分离，因此后续推导忽略正负的影响。

最后利用二分之一波片(图7中记为HWP2’)极化分束器(图7中记为PBS2’)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平偏极化和垂直极化分成两组，其中一组为：

$|H>\⊗|l=-1>,|H>\⊗|l=-3>,|H>\⊗|l=-5>$ 和 $|H>\⊗|l=-7>$

另一组为：

和

步骤2：光束通过第2级2个复用轨道角动量态分离子系统

$|V>\⊗|l=-2>,|V>\⊗|l=-4>,|V>\⊗|l=-6>$ 和 $|V>\⊗|l=-8>$ 的光束按照类似的方式通过第2级第1个复用轨道角动量态分离子系统。需要注意的是，首先通过的二分之一波片(图7中记为HWP3’)需要旋转45°，将入射的垂直极化光束转化成水平极化光束，此外道威棱镜(图7中记为Dove2’)的放置角度需调整至22.5°，即相对夹角α＝45°。这样在最终分束前，不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(-90\left)\right|H>-cos(-90)|V>)\⊗|l=-2>=-|H>\⊗|l=2>$

$\left(sin\right(-180\left)\right|H>-cos(-180)|V>)\⊗|l=-4>=|V>\⊗|l=-4>$

$\left(sin\right(-270\left)\right|H>-cos(-270)|V>)\⊗|l=-6>=|H>\⊗|l=-6>$

$\left(sin\right(-360\left)\right|H>-cos(-360)|V>)\⊗|l=-8>=-|V>\⊗|l=-8>$

最后利用二分之一波片(图7中记为HWP4’)极化分束器(图7中记为PBS4’)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=-2>,|H>\⊗|l=-6>$ 和 $|V>\⊗|l=-4>,|V>\⊗|l=-8>$

类似的，和 $|H>\⊗|l=-7>$ 的光束通过第2级第2个复用轨道角动量态分离子系统后，光束也将再次被分为两个部分，与第2级第1个子系统稍有不同的是，首先通过的二分之一波片(图7中记为HWP5’)不需要进行角度的调整。

最后，利用二分之一波片(图7中记为HWP6’)极化分束器(图7中记为PBS6’)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=-1>,|H>\⊗|l=-5>$ 和 $|V>\⊗|l=-3>,|V>\⊗|l=-7>$

步骤3.：光束通过第3级4个复用轨道角动量态分离子系统

第3级子系统中，道威棱镜(图7中记为Dove4’-7’)的放置角度取11.25°，即相对夹角α＝22.5°。的光束在第3级第1个复用轨道角动量态分离子系统内，首先通过旋转45°的二分之一波片(图7中记HWP7’)，将入射的垂直极化光转化成水平极化光。最终分离前，不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(sin\right(-90\left)\right|H>-cos(-90)|V>)\⊗|l=-4>=-|H>\⊗|l=-4>$

$\left(sin\right(-180\left)\right|H>-cos(-180)|V>)\⊗|l=-8>=|V>\⊗|l=-8>$

最后利用二分之一波片(图7中记HWP8’)极化分束器(图7中记PBS8’)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=-4>$ 和 $|V>\⊗|l=-8>$

的光束射入第3级第2个复用轨道角动量态分离子系统，在最终分离前，不同轨道角动量态对应表达式如下：

$\left(\sin \right(-45\left)\right|H>-cos(-45)|V>)\⊗|l=-2>$

$\left(sin\right(-135\left)\right|H>-cos(-135)|V>)\⊗|l=-6>$

最后利用二分之一波片(图7中记HWP10’)极化分束器(图7中记PBS10’)的组合即可将复用的轨道角动量态光束按照水平极化和垂直极化分成两组：

$|H>\⊗|l=-2>$ 和 $|V>\⊗|l=-6>$

类似的，通过第三级第3个和第4个复用轨道角动量态分离子系统，即可分别实现 $|H>\⊗|l=-1>$ 和 $|V>\⊗|l=-5>,|H>\⊗|l=-3>$ 和 $|V>\⊗|l=-7>$ 的分离。至此8个负l值复用的轨道角动量态就分离完成了。最终的分离结果如图9所示。

Claims (10)

1.一种非破坏分离任意复用轨道角动量态的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：产生一束复用轨道角动量态光束，其中的n个正l值轨道角动量态由水平极化光产生，m个负l值轨道角动量态由垂直极化光产生；

步骤2：入射的复用轨道角动量态光束经过一个极化分束器被分成两路，其中水平极化光进入正l值复用轨道角动量态分离系统，垂直极化光进入负l值复用轨道角动量态分离系统；

步骤3：两路光束分别进入正l值复用轨道角动量态分离系统和负l值复用轨道角动量态分离系统，两个级联系统的第1级子系统均由1个复用轨道角动量态分离子系统组成，其中核心器件道威棱镜的放置角度为45°，通过第1级子系统后，复用的轨道角动量态会根据l值的奇偶，即以l值的差值为1，分离成两路；

步骤i：经第i-1级子系统分离的光束有2^i-1路，因而第i级子系统由2^i-1个复用轨道角动量态分离子系统组成，其中核心器件道威棱镜的放置角度均为45°/2^i-1，通过第i级子系统后，复用轨道角动量态会以l值的差值为2^i-1实现分离，共分离成2ⁱ路；

重复上述步骤i，直至所有的轨道角动量态都被分离。

2.根据权利要求1所述的一种任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法，其特征在于：所述方法是以偏振光学理论为基础，以各个独立的轨道角动量态由线偏振光产生为前提，且要求具有相同的偏振方向。

3.根据权利要求1所述的一种任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法，其特征在于：将简单的偏振光学操作应用到对复用轨道角动量态分离的技术中，简化了分离的过程，降低了分离的难度。

4.根据权利要求1所述的一种任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法，其特征在于：所述方法应用于非破坏的分离复用轨道角动量态，即分离后保持每个轨道角动量态空间结构的完整性。

5.根据权利要求1所述的一种任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法，其特征在于：所述方法应用于分离所有包括负l值在内的轨道角动量本征态。

6.根据权利要求1所述的一种任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法，其特征在于：所述方法应用于复用轨道角动量态分离子系统组成的级联系统。

7.一种复用轨道角动量态分离子系统，其特征在于，所述系统包括：入射光偏振方向调整模块、圆极化光分离模块、相位调整模块、圆极化光合并模块和分离模块；

入射光偏振方向调整模块的功能是：将入射的线偏振光调节为水平极化光；

圆极化光分离模块的功能是：实现水平极化光中左圆极化分量和右圆极化分量的分离，即 $|H>=(1/\sqrt{2})\left(\right|R>+|L>);$

相位调整模块的功能是：同时对分离的左圆极化分量和右圆极化分量进行相应的相位调整(通过道威棱镜实现)，且相位的改变量与对应的轨道角动量态的l值有关，数学上表示为： $\underset{l}{\Σ}(1/\sqrt{2})\left(\exp \right(il\mathrm{\α})|R>+\exp (-il\mathrm{\α})|L>)\⊗|l>,$ 其中α为道威棱镜对应两路光束的相对夹角；

圆极化光合并模块的功能是：将经过相位调整的左圆极化分量和右圆极化分量重新合并成一路束光，此时不同的轨道角动量态将根据各自的相位特征，即l值，投影到两个相互垂直的极化方向上，数学上表示为： $\underset{l}{\Σ}(1/\sqrt{2})\left(sin\right(il\mathrm{\α})|H>-cos\left(il\mathrm{\α}\right)|V>)\⊗|l>;$

分离模块的功能是：对两个相互垂直的极化方向上的光束进行分离。

8.根据权利要求7所述的一种复用轨道角动量态分离子系统，其特征在于：所述系统将输入的复用轨道角动量态按照相位特点分成两组，通过一系列的偏振光学操作，将这两组轨道角动量态分别投影到水平极化和垂直极化两个极化方向上，最终利用极化分束器即可实现这两组轨道角动量态的分离。

9.根据权利要求7所述的一种复用轨道角动量态分离子系统，其特征在于：通过多次级联的方式，即可实现任意复用轨道角动量态的分离。

10.根据权利要求7所述的一种复用轨道角动量态分离子系统，其特征在于：所述系统通过增加或减少复用轨道角动量态分离子系统的级联数目和调整每个子系统中道威棱镜的放置角度，即可灵活的实现不同复用轨道角动量态的分离。