CN106133570B - 包括保罗棱镜的光学复用器/解复用器装置 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种复用器/解复用器光学装置(100)，包括：第一分束器立方体(BS1)；光学地耦合至所述第一分束器(BS1)的第二分束器立方体(BS2)；光学地耦合至所述第二分束器(BS2)的第一保罗棱镜反射器(PR1)；以及光学地耦合至所述第二分束器(BS2)的第二保罗棱镜反射器(PR2)，并且所述第二保罗棱镜反射器(PR2)被构造成用于向横穿第二保罗棱镜反射器(PR2)的光束引入取决于所述光束的轨道角动量并且取决于第二反射器的取向的相位延迟。所述装置是迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪被构造用于获得相长/相消干涉，以便基于轨道角动量的值而在/从相应输入/输出端口上复用/解复用包括具有圆柱形对称性的多个同心光束的光束，所述多个同心光束具有不同轨道角动量的值。

Description

包括保罗棱镜的光学复用器/解复用器装置
技术领域
本说明涉及对光束的复用和解复用操作。
背景技术
在光学通信中，越来越多地使用轨道角动量(OAM)作为光子的进一步特性，以使得能够以更高容量传输。在这方面，可以参考下列论文：
[1]Richardson D.J.等人，光纤中的空分复用，《自然光子学》，第7卷，354页(2013)(Richardson D.J.et al.,Space-division multiplexing in optical fibres,Nature Ph.,vol.7,354(2013))；和
[2]Wang J.等人，采用轨道角动量复用的太比特自由空间数据传输，《自然光子学》，第6卷，488页(2012)(Wang J.et al.,Terabit free-space data transmissionemploying orbital angular momentum multiplexing,Nature Ph.Vol.6,488(2012))。
在上述通信系统中，除了已经被用于开发具有色分(或者频分)复用的光学通信系统的颜色标签之外，光子的角动量的值(下文由“l”表示，l能够采取正和负整数值两者：l＝0、+/-1、2、3…)被用作光子的进一步标签，称为“波分复用”(WDM)。
本申请人注意到，为了有效地开发模分复用(MDM)系统或者空分复用(SDM)系统，有必要具有可用的高效复用装置(即，用于在一个和相同光束或者光纤中引入具有不同OAM值的各种模式的装置)和解复用装置(即，用于从一个和相同光束或者光纤提取具有不同OAM值的各种模式的装置)。
本申请人注意到，上述论文[1]和[2]描述了使用全息装置的复用器，全息装置存在相当大的损耗、大的整体尺寸以及对具有不同OAM值的光束分光时的不良选择性。所述全息装置还被耦合至光学装置，这些光学装置存在相当大的损耗，并且在对具有不同OAM值的光束分光时选择性很差。
论文“Leach J.等人，测量单个光子的轨道动量，《物理评论快报》，第88卷，257901(2002)(Leach J.et al.,Measuring the orbital momentum of a single photon,Phys.Rev.Lett.Vol.88,257901-1(2002))”和“Leach J.等人，测量单个光子的轨道和自旋或者总角动量的干涉测量方法，《物理评论快报》，第92卷，013601(2004)(Leach J.et al.,Interferometric methods to measure orbital and spin or the total angularmomentum of a single photon,Ph.Rev.Lett.,vol.92,013601-4(2004))”描述了设有旋转道威棱镜的马赫-曾德尔型干涉仪。本申请人注意到，所述干涉仪笨重并且生产复杂，这尤其是与马赫-曾德尔型干涉仪中的道威棱镜本身的对准相关联的问题导致的。
文献“C.Gao,X.Qi,Y.Liu e H.Weber，通过使用迈克尔逊干涉仪重叠螺旋光束，《光学快讯》，第18卷，No.1，2010年1月4日(C.Gao,X.Qi,Y.Liu e H.Weber,Superpositionof Helical Beams by using a Michelson Interferometer,OPTIC EXPRESS,Vol.18,No.1,4Jan.2010)”关注在环上具有对称分布的不同OAM状态的螺旋光束的重叠。此外，在该论文中指出关于实验设备，如何在光束的极化连续变化之后避免它们的干涉。
发明内容
本申请人已经解决了定义用于具有不同轨道角动量的光束的复用器/解复用器的问题，这种装置将是高效的并且将存在具有低阻碍性和复杂性的结构。
通过权利要求1中所述的复用器/解复用器提供对上述问题的解决方案。在从属权利要求2-10中描述了特殊实施例。
附图说明
现在将参考附图描述实施例的一些非限制性示例，其中：
图1是与极化无关的第一复用器/解复用器装置的示例的示意性例示；
图2是包括具有圆柱对称性的同心光束的复合光束的示意性例示，同心光束具有恒定强度和随着轨道角动量增大而增大的直径；
图3示出代表随着保罗棱镜(Porro prism)自身取向变化而被保罗棱镜引入的相位移动的表；
图4示出图1的装置的实施例的实例，并且示出作为解复用器和作为复用器的操作；
图5是与极化无关并且适合1：4解复用的第二复用器/解复用器装置的示例的示意性例示；
图6是取决于极化的第三复用器/解复用器装置的示例的示意性例示；
图7是取决于极化、适合4：1的第四复用器/解复用器装置的示例的示意性例示；
图8是与极化无关的、使用另外的干涉仪的第五复用器/解复用器装置的示例的示意性例示；
图9是与第五复用器/解复用器装置类似的、与极化无关的第六复用器/解复用器装置的示例的示意性例示；
图10是与极化无关的、包括与第六复用器/解复用器装置类似的装置的第七复用器/解复用器装置的示例的示意性例示；
图11示出取决于极化的、包括与第三复用器/解复用器装置类似的装置的第八复用器/解复用器装置的示例；
图12示出取决于极化的、包括与第三复用器/解复用器装置类似的装置的第九复用器/解复用器装置的示例；
图13示出与极化无关的、包括与第三复用器/解复用器装置类似的装置的第十复用器/解复用器装置的示例。
具体实施方式
图1示出包括第一分束器立方体BS1、第二分束器立方体BS2、第一保罗棱镜反射器PR1和第二保罗棱镜反射器PR2的第一复用器/解复用器装置100。
特别地，第一分束器立方体BS1(为了简化而称为“第一分束器BS1”)第二分束器立方体BS2(为了简化而称为“第二分束器BS2”)在主方向z1-z2中对齐，主方向z1-z2具有被设置为彼此平行的它自身的分束平面L1和L2。
第一分束器BS1和第二分束器BS2特别是独立于横穿它们的光束的极化的状态。
第一分束器BS1包括第一输入/输出端口1、第二输入/输出端口2、第三输入/输出端口3和第四输入/输出端口4。所述输入/输出端口1-4与对应于第一分束器BS1的立方体的四个面一致。
第二分束器BS2包括第五输入/输出端口5、第六输入/输出端口6、第七输入/输出端口7和第八输入/输出端口8。所述输入/输出端口5-8与对应于第二分束器BS2的立方体的四个面一致。第五输入/输出端口5面对第一分束器BS1的第三输入/输出端口3。
此外，第一分束器BS1识别第一输入/输出方向x1-x2，第二输入/输出端口2和第四输入/输出端口4沿第一输入/输出方向x1-x2对齐。第二分束器BS2识别第二输入/输出方向y1-y2，第六输入/输出端口6和第八输入/输出端口8沿第二输入/输出方向y1-y2对齐。
关于第一保罗棱镜反射器PR1和第二保罗棱镜反射器PR2，应注意，也被称为“屋脊棱镜”或者“直角棱镜”的保罗棱镜是本领域技术人员已知的反射光学装置。第一保罗棱镜PR1和第二保罗棱镜PR2是由例如玻璃(例如，BK-7)，或者一些其它的、甚至是非玻璃质的透明材料制成的大体积光学装置。
科学论文“Galvez E.J.等人，光学旋转器的几何相位，《美国光学学会期刊B辑》，第16卷，1981页，(1999)(Galvez E.J.et al.,Geometric phase of optical rotators,J.Opt.Soc.Am.A,Vol.16,1981,(1999))”和“Liu YD等人，保罗棱镜的场旋转和极化特性，《美国光学学会期刊B辑》，第26卷，1157页，(2009)(Liu YD,et al.,Field Rotation andpolarization properties of the Porro prism,J.Opt.Soc.Am.A,Vol.26,1157,(2009))”描述了对完全理解本说明有用的保罗棱镜的一些特性。
特别地，第一保罗棱镜PR1(下面为了简化也称为“第一棱镜”)被设置成存在与棱镜本身的斜边平面对应的第九输入/输出端口9。所述第九输入/输出端口9面对第二分束器BS2的第七输入/输出端口7，并且被设置成下列方式，即离开第七输入/输出端口7的光束将射在第一棱镜PR1的中心，以便对称地到达棱镜本身的两个直角边C1和C2。
第一棱镜PR1在横穿第一棱镜PR1本身的顶点的第一方向z1-z2中对齐。此外，根据所述示例，第一棱镜PR1被相对于它自身轴线(与第一方向z1-z2一致)以如下方式设置，即不取决于射在第一棱镜PR1上的光束的轨道角动量引入任何相位延迟。
优选地，第一棱镜PR1的与直角边C1和C2对应的反射表面经镜面处理，例如有意设有镀银层10。以这种方式，保证了基本与各种OAM光束的极化状态无关的装置的操作。
第二棱镜PR2在横穿第二棱镜PR2本身的顶点的第二输入/输出方向y1-y2中对齐。此外，根据所述示例，第二棱镜PR2相对于它自身轴线(与第二方向y1-y2一致)以如下方式旋转角度θ，即取决于入射在第二棱镜PR2上的光束的轨道角动量l引入相位延迟Φ：
Φ＝2lθ (1)
优选地，与对第一棱镜PR1所述的相同，第二棱镜PR2的与直角边C1和C2对应的反射表面也经镜面处理。
在作为解复用器的第一装置100的操作中，第一输入/输出端口1起用于由第一光源S1产生的光学辐射的输入端口的作用，而第二端口2和第六端口6起用于经解复用的光束的输出端口的作用。
在作为复用器的第一装置100的操作中，第二端口2和第六端口6起用于将被复用的(由第二光源S2和第三光源S3产生的)光束的输入端口的作用，并且第一端口1起用于经复用的光学辐射的输出端口的作用。
考虑如图2中所示将被解复用的输入光束Fi的组分，由此，作为示例，三个光束被视为具有不同轨道角动量OAM的值，即0、1、2。这些光束(可以为自由空间中的拉盖尔-高斯或者贝塞尔光束，或者光纤中的拉盖尔-高斯光束或者角涡旋)作为具有圆柱形对称性的同心光束，即作为恒定强度并且具有随着OAM值增大而增大的直径的环存在。这些环的相位从0增大至2π，l＝1为一圈，l＝2为半圈，l＝3为三分之一圈，等等。在本说明的附图中，光束的角域中的相位变化以白色角域、黑色角域、带点角域和带虚线角域表示。
假定这种复合光束Fi(例如，来自起第一光源S1作用的光纤)进入第一装置100的第一输入端口1。
光束Fi入射在第一输入端口1上，并且被第一分束器BS1分为(例如，以50％)来自第三端口3在主方向z1-z2中传播的透射部分，和通过第四端口4离开的反射部分。
入射在第二分束器BS2上的光束Fi的透射部分被再次分为(例如，以50％)两部分：入射在第一棱镜PR1上的透射部分，和入射在第二棱镜PR2上的反射部分。
第一棱镜PR1反射入射在第一棱镜PR1上的辐射，不引起取决于轨道角动量的相位延迟，而第二棱镜PR2反射入射在第二棱镜PR2上的光束，也引入由上述关系(1)给出的相位延迟。
图3的表示出进入第二棱镜PR2并且以相应的相位值反射的光束。
装置100以下列方式确定尺寸，即来自包括第二棱镜PR2的干涉仪的臂的返回光束和来自包括第一棱镜PR1的臂的返回光束存在相位延迟，使得它们将根据轨道角动量l的值，在相长干涉(具有等于0或者2π的多倍的相位)和相消干涉(具有等于π或者π的奇数倍的相位)的条件下在棱镜PR1和PR2中自身干涉。这使得具有不同轨道角动量l(例如，偶数或者奇数)的光束能够被引导到第六输出端口6上，或者第二输出端口2上。
例如，可以参考图4，图4示出第一光学装置100的实施例，其中第二棱镜PR2旋转了角度θ＝π/2，并且其中所使用的光学构件彼此直接接触。因此，第二棱镜PR2引入相位移动π。
对于图4a，该图关于作为解复用器的操作，第二输出端口2是用于具有奇数轨道角动量l＝1、3、5…的光束的相长干涉端口，以及用于具有偶数轨道角动量l＝0、2、4…的光束的相消干涉端口(即，具有零输出功率)。作为代替，作为与互补端口对应的干涉仪的特性的结果，第六输出端口6是用于具有偶数轨道角动量l＝0、2、4…的光束的相长干涉端口，以及用于具有奇数轨道角动量l＝1、3、5…的光束的相消干涉端口。以这种方式，从那些具有奇数轨道角动量的光束获得具有偶数轨道角动量的光束的解复用。
作为代替，图4b关于作为与解复用器的操作互补的复用器的操作。根据示例，由第二光源S2发出的具有奇数轨道角动量的光束被提供给第一分束器BS1的第二输入端口2，而由第三光源S3发出的具有奇数角动量的光束被提供给第二分束器BS2的第六输入端口6。
应注意，第一复用器/解复用器100存在使用第一分束器BS1时发生的功率损耗，第一分束器BS1是引入将被解复用(或者复用)的光束以及提取被解复用(或者复用)的光束两者所必要的。由于第一分束器BS1是50：50型，所以对于将被处理的光束在输入端处存在系数2的净功率损耗(功率等于3dB)，并且对于在图1的方案中存在于第二输出端口2上的光束为系数2的进一步损耗(对于总共6dB，功率再次为3dB)。
图5示出构造用于复用/解复用而复合光束FMD的第二复用器/解复用器装置200，复合光束FMD含有分别具有不同轨道角动量，例如l＝0、1、2、3(图5a)的四个光束F0、F1、F2、F3。
在作为解复用器的操作中，第二装置200使得能够如图5b中所示地将复合光束FMD分为四个输出光束F0、F1、F2、F3。在作为复用器的操作中，第二装置200使得能够将(以代表相应的轨道角动量的值向图5b中所区分的端口提供的)四个输入光束F0、F1、F2、F3复用为单个光束FMD。
参考作为解复用器的操作，图5b中所示的第二复用器/解复用器装置200包括输入解复用器MUX/DEM、第一输出解复用器MUX/DEM1和第二输出解复用器MUX/DEM2，其中每一个都以类似于图1中所示的第一复用器/解复用器装置100的方式制作。
类似于图1的第一复用器/解复用器装置100的输入解复用器MUX/DEM具有旋转了角度θ为π/2的它自身的第二棱镜PR2。第一输出解复用器MUX/DEM1具有旋转了角度π/4的它自身的第二棱镜PR2，并且还包括能够在干涉仪的相应臂中引入π/2的相位延迟的延迟片PS。延迟片PS被设置在第二棱镜PR2和第二分束器BS2之间，并且可以通过有意提供的具有适当厚度的光学构件，或者通过在装配期间对干涉仪的适当调节获得。
以与第一复用器/解复用器装置100类似的方式，第二输出解复用器MUX/DEM2具有旋转了角度π/2的它自身的第二棱镜PR2。
在操作中，输入解复用器MUX/DEM将具有偶数轨道角动量F0、F2的光束与具有奇数轨道角动量F1、F3的那些光束分离。具有偶数轨道角动量F0、F2的光束被朝着第二输出解复用器MUX/DEM2传送，第二输出解复用器MUX/DEM2在相应输出端口上将具有轨道角动量l＝0的光束F0与具有轨道角动量l＝2的光束F2分离。
具有奇数轨道角动量的光束被从输入解复用器MUX/DEM传送至第一输出解复用器MUX/DEM1。旋转了角度π/4的第二保罗棱镜PR2以及引入π/2的相位延迟的延迟片PS的作用使得能够获得π(或者π的倍数)的相位移动，以便引起期望的相消或者相长干涉。因此，第一输出解复用器MUX/DEM1在相应输出端口上将具有轨道角动量l＝1的光束F1与具有轨道角动量l＝4的光束F4分离。
可以易于从上述说明以及从图5b导出第二复用器/解复用器装置200作为复用器的操作。
另外，应注意，通过图5的说明应清楚地明白，通过使用与对第二复用器/解复用器装置200描述的那些类似的多个复用器/解复用器装置，能够复用/解复用任何数目的光束。
图6关于具有与第一复用器/解复用器装置100类似的迈克尔逊干涉仪架构，但是包括取决于极化的一些光学构件的第三复用器/解复用器装置300。更详细地，通过在图6中也以符号PBS指示的对极化敏感的类型的立方分束器(也称为“极化分束器”)提供第一分束器BS1。同样在这种情况下，第二分束器BS2为对极化不敏感的类型。
此外，第三复用器/解复用器装置300包括半波类型的第一延迟片PS1，第一延迟片PS1相对于它自身输入端处的辐射的预置极化成22.5°角取向，并且被设置在对极化敏感的第一分束器BS1的第三输入/输出端口3和第二分束器BS2的第五输入/输出端口5之间。
优选地，半波类型的第二延迟片PS2被光学耦合至第二分束器BS2的第六输入/输出端口6，第二延迟片PS2相对于它自身输入端处的辐射的预置极化成22.5°角取向。
对于操作，第三复用器/解复用器装置300设想输入端处的光束，诸如图2的复合输入光束Fi的那些光束将存在例如水平的预置极化。
参考作为解复用器的操作。具有水平极化的光学辐射的输入光束Fi无任何衰减地横穿对极化敏感的第一分束器BS1，并且被设置成用于仅反射垂直极化，并且用于透射水平极化。
在到达第二简单分束器BS2之前，复合光束Fi将横穿第一延迟片PS1。以这种方式，进入第二分束器BS2(不取决于极化)并且入射在第一棱镜PR1和第二棱镜PR2上的辐射将具有以45°取向的直线极化的状态。
被第一棱镜PR1和第二棱镜PR2背反射的辐射保持这种极化状态(实际上，入射光束在保罗棱镜中经过双反射，并且这保证了相同极化状态的保持)。当这种辐射再次横穿第一延迟片PS1时，它的极化旋转为垂直状态。然后，这种辐射被第一分束器BS1反射，并且无损耗地发送至第二输出端口2。
被第一棱镜PR1和第二棱镜PR2背反射的、到达第二分束器BS2的第六输出端口6的部分辐射也经历它自身极化的旋转，因而再次变为垂直。相长和相消干涉基于第三复用器/解复用器装置300的轨道角动量的值发生的形式与上文对第一复用器/解复用器装置100所述的相同。
第三复用器/解复用器装置300提供不产生损耗的优点。实际上，与第一复用器/解复用器装置100中发生的不同，然后与复合光学输入光束Fi相关联的所有功率都被无损耗地在第二输出端口2和第六输出端口6上发回。
在作为复用器的操作中，第二端口2和第六端口6起用于将被复用的具有不同轨道角动量的光束的输入端口的作用，而第一端口1起用于被复用光束Fi的输出端口的作用。
处于第二输出端口2和第六输出端口6的输入端的光束分别被第二光源S2和第三光源S3以它们将存在例如垂直极化的方式提供。作为代替，被复用的输出光束Fi具有与输入光束的极化正交，因此在示例中为水平极化的极化。
图7示出第四复用器/解复用器装置400，第四复用器/解复用器装置400包括每个都以类似于第三复用器/解复用器装置300的方式获得的输出复用器装置MDo、第一输入复用器装置MDi1和第二输入复用器装置MDi2。
图7关于作为复用器的第四复用器/解复用器装置400的操作，但是只要输出复用器装置MDo、第一输入复用器装置MDi1和第二输入复用器装置MDi2也能够起解复用器的作用，第四复用器/解复用器装置400也能够起解复用器的作用。
例如，第四复用器/解复用器装置400能够在复合光束FMD中复用/从复合光束FMD解复用四个光束F0、F1、F2、F3，复合光束FMD始于具有预置极化的光学辐射源。
输出复用器装置MDo设有旋转了π/2的角θ的相应的第二保罗棱镜PR2。第一输入复用器装置MDi1和第二输入复用器装置MDi2能够具有旋转了π/4的角θ的相应的第二保罗棱镜PR2。
图8关于第五复用器/解复用器装置500，第五复用器/解复用器装置500是对极化状态不敏感的类型，并且与图1的第一复用器/解复用器装置100相比存在较低损耗。
只要具有在光纤中或者在自由空间中传播导致的轨道角动量的光束频繁地存在随机极化状态，则第五复用器/解复用器装置500就特别适合起解复用器的作用。
第五复用器/解复用器装置500存在双迈克尔逊干涉仪的结构，并且包括被光学耦合至第二干涉装置MXDX2的第一干涉装置MXDX1。第一干涉装置MXDX1可以与参考图1所述的第一复用器/解复用器装置100结构相同。
第二干涉装置MXDX2类似于第一复用器/解复用器装置100，但是不同的是不包括第一分束器BS1，并且因此具有相应的第二分束器BS2、相应的第一保罗棱镜PR1和相应的第二保罗棱镜PR2。此外，第二干涉装置MXDX2可以包括第三延迟片PS3，以便在横穿它的辐射中引入π/2的相位延迟。可替选地，代替使用延迟片，包括第一保罗棱镜PR1的第二干涉装置MXDX2的臂可以被构造成在横穿它的辐射中引入π/2的相位延迟。
例如，复合输入光束FMD(图5a)被提供给第一干涉装置MXDX1的第一输入端口1，并且复合输入光束FMD的一部分被透射至第一干涉装置MXDX1的第二分束器BS2，并且另一部分(50％)被朝着第二干涉装置MXDX2的第二分束器BS2反射。
根据示例，在第一干涉装置MXDX1内，对于具有偶数轨道角动量的光束发生相长干涉，因此，该光束将被发送回到第一干涉装置MXDX1本身的第六输出端口6上。
在第二干涉装置MXDX2内，获得与先前一个互补的相长干涉；即，根据示例，具有奇数轨道角动量的光束将相长地干涉，并且可在第二干涉装置MXDX2的第五输出端口5上获得。
第五复用器/解复用器装置500对于输出光束(第二端口2上)仅存在系数为2(或者3dB)的损耗，但是与图1的第一复用器/解复用器装置100发生的不同，这种功率损耗与具有偶数轨道角动量的光束和具有奇数轨道角动量的光束两者相同。
图9示出与图8的第五复用器/解复用器装置500类似的第六复用器/解复用器装置600。在图9中，第一干涉装置MXDX1的第二棱镜PR2旋转了角度θ＝π/2，并且第二干涉装置MXDX2的第二棱镜PR2也旋转了角度θ＝π/2。第三延迟片PS3被设置在第二干涉装置MXDX2的第二分束器BS2和相应的第二棱镜PR2之间。
在第9的第六复用器/解复用器装置600中，第一干涉装置MXDX1具有它自身的第六输出端口6(用于具有偶数轨道角动量的光束)，第六输出端口6被耦合至双镜装置DR诸如在两侧上反射的光学立方体的第一输入端。
第二干涉装置MXDX2具有它自身的第六端口6，第六端口6被光学耦合至双镜装置DR的第二输入端。在图9中，以点线表示具有奇数角动量的光束所沿的相长干涉路径，而以虚线表示具有奇数角动量的光束所沿的相长干涉路径。双镜装置DR被配置成用于在第一反射端口OU1上提供具有奇数角动量的光束F1和F3，并且在第二反射端口OU2上提供具有偶数角动量的光束F0和F2。
图9的第六复用器/解复用器装置600特别紧凑并且易于生产。
图10关于第七复用器/解复用器装置700，第七复用器/解复用器装置700被构造用于复用/解复用包含具有不同轨道角动量l＝0、1、2、3的四个光束F0、F1、F2、F3的光束FMD。
第七复用器/解复用器装置700包括第一复用器/解复用器模块MD1、第二复用器/解复用器模块MD2和第三复用器/解复用器模块MD3。
根据示例，第一复用器/解复用器模块MD1与图9的第六复用器/解复用器装置600相同，并且是以便在第一输入端口1上接收(在它作为解复用器的用途时)复合光束FMD，并且在第一反射端口OU1上分离具有奇数轨道角动量的光束F1和F3，并且在第二反射端口OU2上分离具有偶数轨道角动量的光束F0和F2。
第二复用器/解复用器模块MD2与第六复用器/解复用器装置600类似，但是不同的是第二复用器/解复用器模块MD2具有旋转了角度θ＝π/4的相应的第二保罗棱镜。第二复用器/解复用器模块MD2将具有偶数轨道角动量的两个光束彼此分离，即将光束F0与光束F2分离。
第三复用器/解复用器模块MD3与第二复用器/解复用器模块MD2类似，但是不同的是第三复用器/解复用器模块MD3具有第四延迟片PS4(类似于第三延迟片PS3)，第四延迟片PS4面对与它自身的第一干涉装置对应的第一保罗棱镜PR1。第三复用器/解复用器模块MD3将具有奇数轨道角动量的光束彼此分离，即将光束F1与光束F3分离。
图11示出第八复用器/解复用器装置800，作为示例，参考起被极化复合光束FMD的解复用器作用而表示第八复用器/解复用器装置800。第八复用器/解复用器装置800是对极化敏感的类型，并且包括：输入解复用器模块DEMi、第一输出解复用器模块DEM1和第二输出解复用器模块DEM2。第一输出解复用器模块DEM1和第二输出解复用器模块DEM2被耦合至输入解复用器模块DEMi的不同输出端口。
输入解复用器模块DEMi可以与图6的第三复用器/解复用器装置300相同，并且设有旋转了角度θ为π/2的相应的第二保罗棱镜PR2。输入解复用器模块DEMi将具有偶数轨道角动量的光束与具有奇数轨道角动量的光束分离。
第一输出解复用器模块DEM1和第二输出解复用器模块DEM2类似于图6的第三复用器/解复用器装置300，但是具有旋转了角度θ为π/4的相应的第二保罗棱镜PR2。
第一输出复用器模块DEM1被配置成将具有奇数轨道角动量(F1和F3)的两个光束彼此分离。第二输出复用器模块DEM2被配置成将具有偶数轨道角动量(F0和F2)的两个光束彼此分离。第八复用器/解复用器装置800具有与图1的第七复用器/解复用器装置700类似的架构，但是不在所使用的分束器的输出端上产生损耗。
图12示出对极化敏感的第九复用器/解复用器装置900，作为示例，参考起复合极化光束FMD的解复用器作用而表示第九复用器/解复用器装置900。第九复用器/解复用器装置900类似于图11的第八复用器/解复用器装置800，并且代表它的更紧凑版本。
在图12中，第二输出解复用器模块DEM2的第一分束器BS1的输出端口被耦合至输出极化分束器PBS0，输出极化分束器PBS0作用在具有轨道角动量l＝2的光束F2上，使光束F2平行于解复用产生的其它光束。
图13示出使用按对第九复用器/解复用器装置900所述获得和布置的输入解复用器模块DEMi、第一输出解复用器模块DEM1和第二输出解复用器模块DEM2获得的第十复用器/解复用器装置1000。与第九复用器/解复用器装置900不同，由于使用了极化分束器，第十复用器/解复用器装置1000也适合对具有非预置极化的光束复用/解复用。
更详细地，第十复用器/解复用器装置1000还包括输出极化分束器PBS-E0、第一输出极化分束器PBS-E1、第二输出极化分束器PBS-E2、第三输出极化分束器PBS-E3、第四输出极化分束器PBS-E4和设置在输入解复用器模块DEMi的第一分束器BS1的输入端处的输入极化分束器PBSin。
输入极化分束器PBSin将输入光束FMD分为两个主极化，然后如上所述地，通过输入解复用器模块DEMi、通过第一输出解复用器模块DEM1以及通过第二输出解复用器模块DEM2使两个主极化相长或者相消干涉。
输出极化分束器PBS-E0在输出端恢复来自第二输出解复用器模块DEM2的具有轨道角动量l＝0的光束F0。
第一输出极化分束器PBS-E1在输出端恢复来自第一输出解复用器模块DEM1的具有轨道角动量l＝1的光束F1。
第二输出极化分束器PBS-E2在输出端恢复来自输出极化分束器PBS0的具有轨道角动量l＝2的光束F2。
第三输出极化分束器PBS-E3在输出端恢复来自第一输出解复用器模块DEM1的具有轨道角动量l＝3的光束F3。
应注意，所述实施例使得能够存在它们所涉及的复用器/解复用器装置的紧凑结构。例如，所使用的大体积类型的各种光学构件能够被胶粘在一起(设想可能插入延迟片)，并且保罗棱镜能够被加工成呈现如下尺寸，该尺寸即使在它们被旋转时也不偏离分束器立方体的尺寸。
所述复用器/解复用器装置100-1000能够被用于在光通信系统中提供能够被添加至波分复用(WDM)层的进一步复用层，该进一步复用层也被称为“空分复用”(SDM)或者“模分复用(MDM)”。
然后在两层上都将能够开发强度调制和相位调制两者的已知技术，以在自由空间和光纤两者中获得极高容量的光学连接。
此外，应注意，上述实施例使得也能够提供如下光学装置和子系统，该光学装置和子系统能够使用复用器和解复用器装置诸如使得能够进行光束提取和光束引入的光分插复用器(OADM)获得。

Claims (8)

1.一种复用器/解复用器光学装置(100-1000)，包括：
第一分束器(BS1)，所述第一分束器(BS1)设有用于接收/提供复合光束的第一输入/输出端口(1-4)；
第二分束器(BS2)，所述第二分束器(BS2)设有第二输入/输出端口(5-8)并且光学地耦合至所述第一分束器(BS1)；
第一保罗棱镜反射器(PR1)，所述第一保罗棱镜反射器(PR1)被光学地耦合至所述第二分束器(BS2)；以及
第二保罗棱镜反射器(PR2)，所述第二保罗棱镜反射器(PR2)被光学地耦合至所述第二分束器(BS2)，并且被构造成用于向横穿所述第二保罗棱镜反射器(PR2)的光束引入取决于所述光束的轨道角动量并且取决于所述第二保罗棱镜反射器的取向的相位延迟；
其中，所述装置是迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪被构造用于获得相长/相消干涉，以便基于轨道角动量的值而在/从相应输入/输出端口上复用/解复用包括具有圆柱形对称性的多个同心光束的复合光束，所述多个同心光束具有不同轨道角动量的值，
其中所述第一分束器(BS1)包括：
-第一输入/输出端口(1)，所述第一输入/输出端口(1)用于将被解复用的复合光束并且用于从复用获得的所述复合光束，
-输出端口(4)，所述输出端口(4)用于所述复合光束的一部分；以及
-第二输入/输出端口(2)，所述第二输入/输出端口(2)用于第一光束，所述第一光束形成一部分所述复合光束并且具有第一轨道角动量；以及
并且其中所述第二分束器(BS2)包括：
-第三输入/输出端口(6)，所述第三输入/输出端口(6)用于第二光束，所述第二光束形成一部分所述复合光束并且具有第二轨道角动量，以及
其中所述第一分束器(BS1)还包括：第一耦合端口(3)，所述第一耦合端口(3)用于耦合至所述第二分束器(BS2)；
并且其中所述第二分束器(BS2)包括：
第二端口(5)，所述第二端口(5)用于耦合至所述第一分束器(BS1)的所述第一耦合端口(3)，
第二耦合端口(7)，所述第二耦合端口(7)被光学地耦合至所述第一保罗棱镜反射器(PR1)；以及
第三耦合端口(8)，所述第三耦合端口(8)被光学地耦合至所述第二保罗棱镜反射器(PR2)。
2.根据权利要求1所述的复用器/解复用器光学装置(100-700)，其中，所述第一保罗棱镜反射器(PR1)和/或所述第二保罗棱镜反射器(PR2)包括镜面处理反射表面，所述镜面处理反射表面用于使得所述第一保罗棱镜反射器(PR1)和/或所述第二保罗棱镜反射器(PR2)的操作独立于所述光束的极化。
3.根据权利要求1所述的复用器/解复用器光学装置，其中所述第二保罗棱镜反射器(PR2)被构造和布置成引入属于组π/2、π/4、π/8的值的相位延迟，以分别引入π、π/2和π/4的相位延迟。
4.根据权利要求1所述的复用器/解复用器光学装置(200,400,600)，其中所述复合光束包括具有偶数轨道角动量的至少两个光束，以及具有奇数轨道角动量的至少两个光束，并且其中所述装置还包括：
第一复用器/解复用器装置(MUX/DEM1)，所述第一复用器/解复用器装置(MUX/DEM1)被光学耦合至所述第二输入/输出端口(6)，并且被构造成类似迈克尔逊干涉仪，以在/从相应的输入/输出端口上复用/解复用具有奇数轨道角动量的所述至少两个光束；和
第二复用器/解复用器装置(MUX/DEM2)，所述第二复用器/解复用器装置(MUX/DEM2)被光学耦合至所述第一输入/输出端口(2)，并且被构造成类似迈克尔逊干涉仪，以在相应的输入/输出端口上复用/解复用具有偶数轨道角动量的所述至少两个光束。
5.根据权利要求1所述的复用器/解复用器光学装置(200)，其中所述第一分束器(BS1)是独立于横穿所述第一分束器(BS1)的光学辐射的极化的类型。
6.根据权利要求1所述的复用器/解复用器光学装置(300,400,800-1000)，其中所述第一分束器(BS1)是取决于极化的类型，并且被配置成在所述输出端口(4)上不透射具有预置极化的辐射，所述装置还包括：
第一光学构件(PS1)，所述第一光学构件(PS1)能够旋转所述极化并且被设置在所述第一分束器(BS1)和所述第二分束器(BS2)之间；和
第二光学构件(PS2)，所述第二光学构件(PS2)能够旋转所述极化并且面对所述第三输入/输出端口(6)。
7.根据权利要求1所述的复用器/解复用器光学装置(500,700)，其中所述第一分束器(BS1)是独立于极化的类型，并且所述装置还包括：
另外的迈克尔逊干涉仪(MXDX2)，所述另外的迈克尔逊干涉仪(MXDX2)被光学地耦合至所述第一分束器(BS1)的所述输出端口(4)并且包括：
第三分束器(BS2)，所述第三分束器(BS2)被构造成用于在第一反射端口(7)、第二反射端口(8)和用于被解复用或者将被复用的至少一个相应光束的进一步输入/输出端口上透射/反射所述光束的相应部分；
第三保罗棱镜反射器(PR1)，所述第三保罗棱镜反射器(PR1)被光学地耦合至所述第一反射端口(7)；以及
第四保罗棱镜反射器(PR2)，所述第四保罗棱镜反射器(PR2)被光学地耦合至所述第二反射端口(8)，并且被构造成用于在横穿所述第四保罗棱镜反射器(PR2)的相应光束中引入取决于所述相应光束的轨道角动量并且取决于所述第四保罗棱镜反射器的取向的相位延迟。
8.根据权利要求7所述的复用器/解复用器光学装置(600)，还包括双镜光学构件，所述双镜光学构件被耦合至所述第二分束器(BS2)的所述第三输入/输出端口(6)，并且被耦合至所述另外的迈克尔逊干涉仪的所述第三分束器的所述进一步输入/输出端口。
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Granted publication date: 20190820