CN106533574A - 一种太赫兹涡旋光束轨道角动量态的解调装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹涡旋光束轨道角动量态的解调装置和方法。轨道角动量态作为全新的通信自由度有望极大地提高现有通信系统的容量和谱效率，利用光学坐标变换的原理，将携带单一轨道角动量的涡旋光束的强度分布由圆环状变为直线状，同时将角向相位分布变为线性相位梯度，这一线性相位梯度正比于涡旋光束的拓扑荷，变换后的光束经过单一聚焦透镜在其后焦面上形成不同位置的光斑。这一方法可以同时对多个轨道角动量光束进行高效分离，有望在基于轨道角动量的自由空间太赫兹无线通信系统中得到应用。

Description

一种太赫兹涡旋光束轨道角动量态的解调装置和方法

技术领域

本发明涉及基于轨道角动量的自由空间无线通信技术领域，更具体地，设计一种适用于自用空间中携带多个轨道角动量态太赫兹光束的解调装置和方法。

背景技术

随着信息技术的持续快速发展，人们对高清视频、图像等的需求与日俱增，伴随之的是数据容量的急剧增长，为了缓解急剧增长的通信容量需求，人们利用电磁波的偏振、频率、时间、波长等传统维度开发出了一系列提高通信系统容量的技术，例如偏振复用技术、频分复用技术、时分复用技术、波分复用技术等。

随着光子轨道角动量的提出和研究，轨道角动量态逐步被人们意识到可以作为新的维度来极大提高通信系统的容量和谱效率。轨道角动量作为一个全新的通信自由度可以极大地提高现有无线通信系统的容量和谱效率，而太赫兹波的频率远远超过现有无线通信系统的载波频率，基于轨道角动量的太赫兹无线通信系统将极大提高无限通信容量。轨道角动量态是电磁波电场在横截面上携带涡旋相位因子exp(jlφ)的态，其中l称为轨道角动量的量子数(也称为拓扑荷)，定义轨道角动量的特征参数，不同轨道角动量光束携带的拓扑荷不同，l的取值在实数空间，φ为角向因子。作为一种新兴的通信维度，既可以将轨道角动量态的拓扑荷作为码元来编码信息，也可以将携带轨道角动量的光束作为载波来传输数据。理论上，由于轨道角动量的取值在无穷空间，所以可以利用轨道角动量态无限提高通信系统的容量和谱效率。目前，利用光束的轨道角动量已经可以实现80Tbit s^-1的传输速率。在自由空间无线通信中，太赫兹波的频率远高于现有无线通信的载波频率，未来有望应用于超高容量无限通信系统中，进一步，轨道角动量可以提高自由空间无线通信系统的容量和谱效率。然而，如何对轨道角动量态进行快速准确地检测，实现对多个轨道角动量的混合态有效地解调，是如今需要解决的一个技术问题。

测量携带轨道角动量光束的拓扑荷方法众多，例如具有l阶折叠的叉形光栅既可以用于产生携带l阶拓扑荷的涡旋光束(也称为轨道角动量光束)，反过来也可以用于检测涡旋光束携带的轨道角动量的阶数，但是这种方法的检测效率不高，一方面衍射光学器件的衍射效率降低了光束的光子利用率，另一方面检测N个不同阶数的涡旋光束就需要N个不同的叉形光栅或者更加复杂的二维光栅，同时完成一次测量就至少需要N个光子。类似的技术将衍射光学器件换成螺旋相位波板或者q波板的方法也有同样的局限性。马赫-曾德干涉仪方法可以实现在单光子层面上对涡旋光束轨道角动量的测量，但是使用这一系统测量N个轨道量子态至少需要N-1个臂的马赫-曾德干涉仪，并且每个臂中将包含一个道威棱镜，从理论上来说这种方法可以以100％的效率测量待入射光束的轨道角动量态，但是这种系统庞大复杂且不易搭建，不适合对大量轨道角动量光束进行测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种自由空间太赫兹波轨道角动量态的高效解调装置和方法，目的在于实现对携带不同轨道角动量太赫兹涡旋光束的分离(检测)，解决现有技术检测效率不高，系统庞大复杂，搭建难度大等技术问题。

本发明利用基于对数极坐标到笛卡尔坐标光学变换的原理，将携带轨道角动量的环形强度光束变换为直线状强度平面波，与此同时平面波的相位梯度与轨道角动量光束的拓扑荷成正比关系，利用单个聚焦透镜就可以将变换后的平面波聚焦在焦平面不同的位置，从而实现对不同轨道角动量太赫兹涡旋光束的分离和检测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于光学坐标变换的太赫兹涡旋光束轨道角动量态解调装置，包括在同一光路上的轨道角动量解调模块和轨道角动量探测模块；其中：

所述轨道角动量解调模块用于将太赫兹涡旋光束的环状光强的涡旋光束变换成倾斜平面波，倾斜程度正比与输入太赫兹涡旋光束的拓扑荷；轨道角动量解调模块由同一光路的光学坐标变换器件和相位纠正器件依序组成；其中，所述光学坐标变换器件和相位纠正器件均为纯相位器件，光学坐标变换器件用于入射涡旋光束提供坐标变换所需的相位畸变，相位纠正器件用于纠正太赫兹涡旋光束经过坐标变换后的残余相位畸变；

所述的轨道角动量探测模块用于将不同倾斜平面波聚焦在焦平面处的不同位置，实现对不同倾斜平面波的分离，其由同一光路的聚焦透镜和探测器件依序组成；其中，所述聚焦透镜用于聚焦坐标变换后的太赫兹倾斜平面波，所述探测器件位于聚焦透镜后焦面，用于探测不同太赫兹倾斜平面波聚焦之后的光斑，该光斑的位置与输入太赫兹涡旋光束的拓扑荷成比例关系；根据光斑的位置，即可解调出输入太赫兹涡旋光束的所携带的拓扑荷。

进一步的，所述光学坐标变换器件所提供的具体相位畸变分布为：

(x,y)是光学坐标变换器件所在平面的笛卡尔坐标系，a和b对应光学坐标变换的缩放因子，a的取值尽量使得变换后的光束尺寸小于坐标变换器件的大小，b的取值尽量保证变换后的光束居中，L为光学坐标变换器件与相位纠正器件之间的距离。

进一步的，所述相位纠正器件所提供的纠正相位分布为：

(u,v)是相位纠正器件所在平面的笛卡尔坐标系。

进一步的，所述光学坐标变换器件、相位纠正器件均为纯相位器件，均可以由空间光调制器或照相胶片或折衍光学元件替换。

进一步的，所述光学坐标变换模块、相位纠正模块由对应厚度的相位板来提供所需相位，厚度Z由下式确定：

ΔΦ＝2π(n-1)Z/λ；

式中，λ为波长，n为折射率，变ΔΦ光束相位改变量。

进一步的，所述的相位板均由3D打印机制作生成。

基于上述的解调装置，本发明还提出一种太赫兹涡旋光束轨道角动量态解调试验装置，其特征在于，还包括太赫兹涡旋光束产生模块，其与所述轨道角动量解调模块和所述轨道角动量探测模块同一光路设置；其中：

所述太赫兹涡旋光束产生模块用产生太赫兹涡旋光束，其由同一光路的光源、准直透镜和螺旋相位波板依序组成；其中，所述光源为连续太赫兹光源，用于输出高斯平面太赫兹光束至准直透镜；所述准直透镜用于将大发散角的高斯平面太赫兹光束准直，送入螺旋相位波板产生太赫兹涡旋光束；所述螺旋相位波板为纯相位器件，用于对准直后的太赫兹光束附加一个或多个exp(jlφ)的相位因子；其中，l为拓扑荷，取值范围为实数空间；φ为角向参数，取值范围为0-2π。

相应地，本发明还提出一种太赫兹涡旋光束轨道角动量态的解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将太赫兹涡旋光束输出到光学坐标变换器件，使其携带相位畸变，环状强度涡旋光束沿传播方向逐步变换成直线强度光束，变换后的直线强度光束携带倾斜相位因子和残余的畸变相位因子；

(2)相位纠正器件放置于距离光学坐标变换器件之后距离为L的位置，与光学坐标变换器件平行共轴放置；L的取值与光学坐标变换器件直径尺度相近，以便于相位纠正器件正好处于环状光束变为直线强度光束的平面，以抵消掉光学坐标后的光束所携带的残余畸变相位因子，使直线光束沿传播方向光束强度和相位保持稳定；

(3)采用焦距f的聚焦透镜对携带倾斜相位因子的直线强度光束聚焦，在焦平面形成聚焦光斑；

(4)测量光斑中心位置相对于光轴的距离P₁，定义经过光轴的点为坐标原点，根据公式P₁＝(λf/d)*l，求出太赫兹涡旋光束的所携带的拓扑荷；

l＝(λf/d)/P₁；

其中，λ为波长，P₁值可正可负坐标轴方向决定，d为光学坐标变换器件或相位纠正器件直径，优选直径较小器件的直径。

本发明基于光束坐标变换的方法，实现对携带不同轨道角动量态的太赫兹涡旋光束的解调(分离)，结构简单，分离效率高，易于实现，可以实现单光子层面上对太赫兹涡旋光束轨道角动量的高效解调。

附图说明

图1是本发明具体实施的携带轨道角动量态的太赫兹涡旋光束的解调演示系统装置图；

图2是本发明利用光学坐标变换的方法解调太赫兹涡旋光束轨道角动量并探测变换后光束聚焦光斑的原理示意图；

图3是本发明中对多个携带单一轨道角动量态的太赫兹涡旋光束的解调仿真实例。

在所用的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为太赫兹耿氏源；2为斩波器；3为准直透镜；4为角动量发生器件；5为光学坐标变换器件；6为相位纠正器件；7为聚焦透镜；8为探测器；9为三维步进电机；10为锁相放大器；11为步进电机控制器；12为控制采集电脑。L为光学坐标变换器件和相位纠正期间之间的距离，f为聚焦透镜的焦距，也即是探测器与聚焦透镜的间隔。U_in为坐标变换器件前表面处入射的太赫兹涡旋光束光强分布，U_out1为相位纠正器件后表面处变换后的太赫兹波光强分布，U_out2为聚焦透镜焦平面处聚焦光斑的光强分布。

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地阐明，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明基于轨道角动量分类法对光束轨道角动量进行解调，适用于自由空间轨道角动量无线通信系统。本发明选取0.3THz波段为研究对象，并利用3D打印机设计生成相位波板实施对光束相位的调控。本发明具体实施案例的装置包括耿式振荡器波源1、斩波器2、准直透镜3、螺旋相位波板4、坐标变换波板5、相位纠正波板6、聚焦透镜7、肖特基二极管探测器8、三维步进电机9、锁相放大器10、步进电机控制器11、控制电脑12。耿式振荡器1输出0.3THz太赫兹波，输出的光束为高斯光束，并经过准直透镜3准直；为了验证本发明的正确性，准直光束经过螺旋相位波板4产生携带轨道角动量态的太赫兹涡旋光束，涡旋光束经过坐标变换波板5和相位纠正波板6之后，太赫兹涡旋光束中不同轨道角动量转变为不同的线动量，变换后的太赫兹涡旋光束经过聚焦透镜7在其焦平面处形成不同位置的聚焦光斑，探测器8放置在三维位移台9上，探测器输出的探测数据经过锁相方法器10获取，锁相放大器10与斩波器2配合使用可以提高信号的信噪比。

轨道角动量产生模块的螺旋相位板对应的厚度分布为：

其中，φ为角向参数。平面高斯太赫兹光束经过螺旋相位板，其相位中附加了exp(jlφ)的相位因子，也即是携带有轨道角动量的光束。

光学坐标变换波板和相位纠正波板的厚度分布分别为：

其中，(x,y)和(u,v)分别是光学坐标变换波板处和相位纠正波板处的笛卡尔坐标系，a和b对应坐标变换的缩放因子，L为光学坐标变换波板与相位纠正波板之间的距离。携带轨道角动量的太赫兹涡旋光束经过坐标变换波板和相位纠正波板之后变为携带倾斜相位因子的直线状光束，也可以理解为太赫兹涡旋光束的轨道角动量转变为了沿某一方向的线动量。

本发明中利用3D打印技术可以非常简单便捷地制作所需的相位波板，根据相位波板的厚度公式可以生成对应的STL模型，将STL模型导入到OBJET 30系列3D打印机中，即可打印出所需的相位波板，包括螺旋相位波板，坐标变换波板和相位纠正波板。

为了进一步验证这一调制装置的实用性，结合图2说明，依次选取螺旋相位波板4产生拓扑荷从-3到+3的单一轨道角动量光束，并利用探测装置8和9对入射太赫兹涡旋光束进行探测，测得光束变换波板5前表面的二维光强分布U_in，拓扑荷从-3到+3的轨道角动量光束经过坐标变换波板5和相位纠正波板6之后的光束二维强度分布U_out1也由探测装置88和9测得，携带拓扑荷从-3到+3的轨道角动量光束经过坐标变换之后携带了对应的不同线动量，经过聚焦透镜7在其焦平面处形成不同位置的聚焦光斑，探测装置8置于聚焦透镜7焦点处依次测得聚焦的二维光强分布U_out2。

根据实验所述，拓扑荷从-3到+3的轨道角动量光束光强分布如附图3中第一行，其光强分布符合轨道角动量光束空心光强的分布特点(l＝0阶除外)，经过坐标变换波板5和相位纠正波板6之后光束的强度分布如附图3中第二行，其光强呈直线状，此时的光束也即是倾斜平面波分布，变换之后的光束经过器件7在其后焦面处形成聚焦光斑，如附图3第三行所示，聚焦光斑延纵向依次分布，其强度最大值位置定义为光斑中心，光斑中心分布正相关与入射轨道角动量光束的拓扑荷l。根据附图3中第三行结果，不同拓扑荷的轨道角动量光束在空间中实现了分离，证明这一装置和方法可以对多个混合轨道角动量光束实现有效分离和测量，检测效率高，而且系统简单小巧、构建方便，有望在复杂轨道角动量通信系统中得到应用。

本领域的技术人员容易理解，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 (8)

1.一种太赫兹涡旋光束轨道角动量态解调装置，其特征在于，包括在同一光路上的轨道角动量解调模块和轨道角动量探测模块；其中：

所述轨道角动量解调模块用于将太赫兹涡旋光束的环状光强的涡旋光束变换成倾斜平面波，倾斜程度正比与输入太赫兹涡旋光束的拓扑荷；轨道角动量解调模块由同一光路的光学坐标变换器件和相位纠正器件依序组成；其中，所述光学坐标变换器件和相位纠正器件均为纯相位器件，光学坐标变换器件用于入射涡旋光束提供坐标变换所需的相位畸变，相位纠正器件用于纠正太赫兹涡旋光束经过坐标变换后的残余相位畸变；

所述的轨道角动量探测模块用于将不同倾斜平面波聚焦在焦平面处的不同位置，实现对不同倾斜平面波的分离，其由同一光路的聚焦透镜和探测器件依序组成；其中，所述聚焦透镜用于聚焦坐标变换后的太赫兹倾斜平面波，所述探测器件位于聚焦透镜后焦面，用于探测不同太赫兹倾斜平面波聚焦之后的光斑，该光斑的位置与输入太赫兹涡旋光束的拓扑荷成比例关系；根据光斑的位置，即可解调出输入太赫兹涡旋光束的所携带的拓扑荷。

2.根据权利要求1或2所述的轨道角动量态解调装置，其特征在于，所述光学坐标变换器件所提供的具体相位畸变分布为：

(x,y)是光学坐标变换器件所在平面的笛卡尔坐标系，a和b对应光学坐标变换的缩放因子，a的取值尽量使得变换后的光束尺寸小于坐标变换器件的大小，b的取值尽量保证变换后的光束居中，L为光学坐标变换器件与相位纠正器件之间的距离。

3.根据权利要求1或2所述的轨道角动量态解调装置，其特征在于，所述相位纠正器件所提供的纠正相位分布为：

(u,v)是相位纠正器件所在平面的笛卡尔坐标系。

4.根据权利要求1或2所述的轨道角动量态解调装置，其特征在于，所述光学坐标变换器件、相位纠正器件均为纯相位器件，均可以由空间光调制器或照相胶片或折衍光学元件替换。

5.根据权利要求1或2所述的轨道角动量态解调装置，其特征在于，所述光学坐标变换模块、相位纠正模块由对应厚度的相位板来提供所需相位，厚度Z由下式确定：

ΔΦ＝2π(n-1)Z/λ；

式中，λ为波长，n为折射率，变ΔΦ光束相位改变量。

6.根据权利要求1或2所述的轨道角动量态解调装置，其特征在于，所述的相位板均由3D打印机制作生成。

7.一种基于权利要求1或2的太赫兹涡旋光束轨道角动量态解调试验装置，其特征在于，还包括太赫兹涡旋光束产生模块，其与所述轨道角动量解调模块和所述轨道角动量探测模块同一光路设置；其中：

所述太赫兹涡旋光束产生模块用产生太赫兹涡旋光束，其由同一光路的光源、准直透镜和螺旋相位波板依序组成；其中，所述光源为连续太赫兹光源，用于输出高斯平面太赫兹光束至准直透镜；所述准直透镜用于将大发散角的高斯平面太赫兹光束准直，送入螺旋相位波板产生太赫兹涡旋光束；所述螺旋相位波板为纯相位器件，用于对准直后的太赫兹光束附加一个或多个exp(jlφ)的相位因子；其中，l为拓扑荷，取值范围为实数空间；φ为角向参数，取值范围为0-2π。

8.一种太赫兹涡旋光束轨道角动量态的解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将太赫兹涡旋光束输出到光学坐标变换器件，使其携带相位畸变，环状强度涡旋光束沿传播方向逐步变换成直线强度光束，变换后的直线强度光束携带倾斜相位因子和残余的畸变相位因子；

(2)相位纠正器件放置于距离光学坐标变换器件之后距离为L的位置，与光学坐标变换器件平行共轴放置；L的取值与光学坐标变换器件直径尺度相近，以便于相位纠正器件正好处于环状光束变为直线强度光束的平面，以抵消掉光学坐标后的光束所携带的残余畸变相位因子，使直线光束沿传播方向光束强度和相位保持稳定；

(3)采用焦距f的聚焦透镜对携带倾斜相位因子的直线强度光束聚焦，在焦平面形成聚焦光斑；

(4)测量光斑中心位置相对于光轴的距离P_l，定义经过光轴的点为坐标原点，根据公式P_l＝(λf/d)*l，求出太赫兹涡旋光束的所携带的拓扑荷；

l＝(λf/d)/P_l；

其中，λ为波长，d为光学坐标变换器件或相位纠正器件直径，优选直径较小器件的直径。