CN106788745B - 一种轨道角动量相干解复用的装置及分离检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道角动量相干解复用的装置及分离检测的方法，装置包括：用于将入射光束进行分束的分束器；用于调节光的传播方向和实现光的奇数次反射的反射镜；用于将具有特定拓扑荷的涡旋光转换成基模高斯光的液晶空间光调制器；用于实现某一特定拓扑荷的OAM信道和其他OAM信道的分离的相干分离单元；用于实现光束的相位偏移π的移相器；用于实现光电转换的光电探测器；用于用来进行电流的减法运算的差分电路；所述装置用于实现OAM的相干分离检测。本发明提供的新型装置可提升现有自由空间光轨道角动量复用通信系统的检测性能及其传输距离，在涉及涡旋光场的光通信和信息处理等领域有着重要的应用前景。

Description

一种轨道角动量相干解复用的装置及分离检测的方法

技术领域

本发明涉及光学领域技术领域中的涡旋光场领域，尤其涉及的是一种轨道角动量相干解复用的装置及分离检测的方法。

背景技术

轨道角动量是经典力学和量子力学中的重要物理量，粒子的角动量包括轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)和自旋角动量，OAM往往与空间分布相关。1992年，Allen首先发现螺旋相位光束具有OAM，这类光束具有exp(ilθ)的相位因子，其中l表示拓扑荷，θ是角向分量，每个光子携带有的OAM，为约化普朗克常量，由于理论上l具有无穷的正交区间，且不同l值得光束之间相互正交，因此将OAM作为一种新的自由度引入到光通信中，与时隙、强度、相位、偏振等维度一起作为信息的调制和复用方式，将会极大地提高频谱利用效率，增加通信容量，满足人们日益增长的信息量需求。因此，OAM光通信也越来越受到关注。

目前，OAM在光通信当中的应用，主要集中在自由空间光通信上，具有简单、易实现、容量大等优点。但是由于相关器件研发速度的限制，有关OAM调制方面的研究一直难有突破性进展，而在自由空间OAM复用方面已有大量的研究报道。在大气中传输时，由于大气湍流等大气环境的影响，会破坏不同OAM之间的正交性，进而影响系统性能。故这些报道都仅有米级的传输距离，误码率就达到10-3。如何在保证误码率的情况下，提高传输距离是OAM复用通信中面临的关键问题。

OAM的产生和解调是OAM复用系统的主要组成部分，目前相关报道中常用的产生和解调方式有光栅、螺旋相位板以及以其为基础的其他方式，这些方式都是基于液晶空间光调制器实现的。通过液晶空间光调制器将基模高斯光束转化为携有OAM的涡旋光，经复用及自由空间传输后，利用相应的光栅或螺旋相位板进行解调，所解调光束将转化为含有中心光强的基模高斯光束，再用小孔将基模高斯光与其他中空的涡旋光分离，这里称之为小孔分离检测法。实验结果表明，对于束腰半径相对空间光调制器较小的光束，随着涡旋光束传输距离的增加，涡旋光束原本标准的截面相位分布会呈扭曲旋转分布，经解调后，中心光强将会在约30米内逐渐减弱并最终消失。该结果表明，当光束的束腰半径越小或者传输距离进一步提高之后，当前采用的小孔分离检测法将不再适用。迄今为止，现有技术中，还没有一种有效的用于长距离OAM复用通信系统的高效检测方法。

因此，针对上述缺陷，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种轨道角动量相干解复用的装置及分离检测的方法，本发明提供的新型轨道角动量相干解复用的装置可用于提升现有自由空间光轨道角动量复用通信系统的检测性能及其传输距离，在涉及涡旋光场的光通信和信息处理等领域有着重要的应用前景。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述装置包括：

用于将入射光束进行分束的分束器；

设置在所述分束器正下方的用于调节光的传播方向和实现光的奇数次反射的反射镜；

设置在所述分束器前方的用于将具有特定拓扑荷的涡旋光转换成基模高斯光的液晶空间光调制器；

设置在所述液晶空间光调制器前方用于实现某一特定拓扑荷的OAM信道和其他OAM信道的分离的相干分离单元；

设置在所述相干分离单元内部用于实现光束的相位偏移π的移相器；

设置在所述相干分离单元以及所述反射镜前方用于实现光电转换的光电探测器；

设置在所述光电探测器前方用于将两路电流进行差分，进而将涡旋光上加载的信息提取出来的差分电路；

所述分束器、液晶空间光调制器、相干分离单元、光电探测器以及差分电路依次设置在同一光轴上；所述反射镜、光电探测器以及差分电路依次设置在同一光轴上；所述装置用于实现OAM的相干分离检测。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述相干分离单元由3块反射镜，2个分束器和1个移相器组成，第一分束器沿垂直方向将光束发射到第一反射镜，第一反射镜通过第二反射镜将光束反射到第三反射镜上，通过第三反射镜将光束反射到第二分束器上，第一分束器同时沿水平方向将光束发射到移相器，通过移相器再将光束发射到第二分束器。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述分束器用于将接收端接收到的已知光束等分为多束光的数量为复用的OAM数目。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述3块反射镜用于将涡旋光进行奇数次反射，实现拓扑荷的反转。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述移相器用于将光束的相位偏移π。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述液晶空间光调制器上加载对应特殊设计的全息相位图。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述液晶空间光调制器可用特殊设计的螺旋相位板或者光栅进行替换。

一种如所述的轨道角动量相干解复用的装置实现OAM的相干分离检测的方法，其中，包括以下步骤：

步骤A，将接收到的已知光束作为入射光场经过多个级联的分束器之后，将入射光场分成N束光，数量为复用的OAM数目；

步骤B，将经过分束后的某一束光投射到加载了对应全息相位图的液晶空间光调制器上，对其中拓扑荷为l₁的涡旋光进行解调，将其还原成基模高斯光，得到混合了基模高斯光和涡旋光的光束；

步骤C，将得到的混合光束入射到相干分离单元，先利用分束器对该混合光束再一次进行分束得到功率相等的两束光A₁和A₂，再对A₁进行分束，得到B₁和B₂，将B₁进行奇数次反射，得到C₁，同时将B₂经过一个移相器，使其相位偏移π，得到C₂，之后将C₁和C₂进行合束，最后经过相干分离单元后得到D₁；

步骤D，将A₂和D₁分别经过光电探测器，转换得到电流I₀和I₁；

步骤E，利用差分电路将I₀和I₁做一个减法，得到I₂，I₂仅包含由拓扑荷为l₁的涡旋光上携带的信息。

所述实现OAM的相干分离检测的方法，其中，所述步骤E之后还包括：

步骤F，重复步骤B、C、D、E，只需改变液晶空间光调制器上加载的全息相位图，即可同时将拓扑荷为l₂、l₃…l_N的涡旋光上所携带的信息解调出来。

所述实现OAM的相干分离检测的方法，其中，所述步骤A中还用到了反射镜来调节光的传播方向。

有益效果：本发明提供的一种新型轨道角动量相干解复用的装置可用于提升现有自由空间光轨道角动量复用通信系统的检测性能及其传输距离，在涉及涡旋光场的光通信和信息处理等领域有着重要的应用前景。本发明的原理是基于光束的相干相消，而此相干相消效应取决于两束光相位差的严格控制。具体来说，本发明的优势主要集中于以下几点：

(1)、本发明能够大幅提升系统的误码性能。本发明所提出的装置及方法基于目前已有的光学器件，易于实现，尤其是在提升误码性能方面，能够将现有的误码性能提升大约两个数量级。

(2)、本发明可实现自由空间轨道角动量复用光通信系统的长距离传输，不会受限于经过长距离传输之后解调得到的基模高斯光的光强严重弱化这一现象。通过相干分离的方法，灵巧的规避了小孔分离检测法的缺点，有望将现有自由空间轨道角动量复用光通信系统的传输距离提高至少一个数量级。

附图说明

图1是本发明轨道角动量相干解复用的装置的第一较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明轨道角动量相干解复用的装置中相干分离单元组成结构示意图。

图3是本发明轨道角动量相干解复用的装置的第二较佳实施例的结构示意图。

图4是本发明实现OAM的相干分离检测的方法的的较佳实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。

请参阅图1，图1是本发明轨道角动量相干解复用的装置的第一较佳实施例的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的一种轨道角动量相干解复用的装置，所述装置包括：

用于将入射光束进行分束的分束器1；

设置在所述分束器1正下方的用于调节光的传播方向和实现光的奇数次反射的反射镜2；

设置在所述分束器1前方的用于将具有特定拓扑荷的涡旋光转换成基模高斯光的液晶空间光调制器3；

设置在所述液晶空间光调制器3前方用于实现某一特定拓扑荷的OAM信道和其他OAM信道的分离的相干分离单元7；

设置在所述相干分离单元7内部用于实现光束的相位偏移π的移相器4；

设置在所述相干分离单元7以及所述反射镜2前方用于实现光电转换的光电探测器5；

设置在所述光电探测器5前方用于将两路电流进行差分，进而将涡旋光上加载的信息提取出来的差分电路6；

所述分束器1、液晶空间光调制器3、相干分离单元7、光电探测器5以及差分电路6依次设置在同一光轴上；所述反射镜2、光电探测器5以及差分电路6依次设置在同一光轴上；所述装置用于实现OAM的相干分离检测。

如图2所示，所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述相干分离单元7由3块反射镜，2个分束器和1个移相器组成，第一分束器11沿垂直方向将光束发射到第一反射镜21，第一反射镜21通过第二反射镜22将光束反射到第三反射镜23上，通过第三反射镜23将光束反射到第二分束器12上，第一分束器11同时沿水平方向将光束发射到移相器4，通过移相器4再将光束发射到第二分束器12。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述分束器1用于将接收端接收到的已知光束等分为多束光的数量为复用的OAM数目。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述3块反射镜2用于将涡旋光进行奇数次反射，实现拓扑荷的反转。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述移相器4用于将光束的相位偏移π。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述液晶空间光调制器3上加载对应特殊设计的全息相位图。

所述轨道角动量相干解复用的装置，其中，所述液晶空间光调制器3可用特殊设计的螺旋相位板或者光栅进行替换。

下面结合具体实施例来介绍本发明的装置结构以及工作原理的过程：

实施例1：

图1是基于本发明的最简单应用方案，该方案包括的装置有：分束器1、反射镜2、液晶空间光调制器3、移相器4、光电探测器5和差分电路6；利用三块反射镜2和两个分束器1以及一个移相器4可以组成一个相干分离单元7。

所述分束器1主要是用来将入射光束进行分束，所述液晶空间光调制器主要是用来将涡旋光转换成基模高斯光；所述反射镜2主要是用来调节光的传播方向和实现光的奇数次反射；所述相干分离单元主要是用来实现某一特定拓扑荷的OAM信道和其他OAM信道的分离；所述光电探测器5主要是用来实现光电转换；所述差分电路6主要是用来进行电流的减法运算。

在实施例1中采用的是拓扑荷分别为l₁和l₂的两路OAM信道复用(这里的两路OAM信道拓扑荷分别取的是+3和+1，调制的信息是16QAM-OFDM信号)。

一个携带信息的OAM信号，可以表示为：

U(r,φ,θ,t)＝S(t)·A(r,φ)·exp(ilθ)

其中S(t)为调制到光载波上的数据信息，A(r,φ)·exp(ilθ)表示携带l轨道角动量的涡旋光束，对于l为l₁和l₂的两路轨道角动量复用，其复用后的场强可表示为：

U_MUX(r,φ,θ,t)＝S₁(t)·A₁(r,φ)·exp(il₁θ)+S₂(t)·A₂(r,φ)·exp(il₂θ)

接收端将接收到的已知光束作为入射光场经过多个级联的分束器1之后，把入射光场分成两束光，数量刚好为复用的OAM数，此过程辅以反射镜2来调整光路的传输方向；先以经过分束后的其中一束光进行处理，将该束光投射到加载了对应全息相位图的液晶空间光调制器3上(此处选用的空间光调制器同样可以用螺旋相位板或叉形光栅进行替换)，对其中拓扑荷为l₁的涡旋光进行转换，将其还原成基模高斯光，得到混合了基模高斯光和涡旋光的光束，在理想情况下，场强可表示为：

U_DE-MUX(r,φ,θ,t)＝S₁(t)·A₁(r,φ)+S₂(t)·A₂(r,φ)·exp[i(l₂-l₁)θ]]

通过分束器1将其分为两束光，其中一路通过多块反射镜2，受“镜像”作用影响，其OAM数值反向，即l₂-l₁会转化为l₁-l₂，另一路通过移相器4确保与第一路有π相位差，场强可分别表示为：

E₁(r,φ,θ,t)＝S₁(t)·A₁(r,φ)+S₂(t)·A₂(r,φ)·exp[i(l₁-l₂)θ]

E₂(r,φ,θ,t)＝S₁(t)·A₁(r,φ)·exp(iπ)+S₂(t)·A₂(r,φ)·exp[i(l₂-l₁)θ]·exp(iπ)

利用分束器1再将两路光束混合，由于两路含S₁(t)的信号有π相位差会发生干涉相消，而含S₂(t)的两路信号携带的轨道角动量的值相反，由于不同轨道角动量间的正交性，光强会保持独立不变，从而得到混合后的光束为：

E_MUX(r,φ,θ,t)＝S₂(t)·A₂(r,φ)·exp[i(l₂-l₁)θ]·exp(iπ)+S₂(t)·A₂(r,φ)·exp[i(l₁-l₂)θ]

即为消去信号S₁(t)后的光束，将U_MUX(r,φ,θ,t)和E_MUX(r,φ,θ,t)经过光电探测器5，进行光电转换后，利用差分电路6，将两路电流做一个减法，得到只包含信息S₁(t)的电流I₁：

I₁＝I_MUX-I₂

同理，只需将另一路上的空间光调制器3所加载的全息相位图携带的拓扑荷改变，即可将拓扑荷为l₂的涡旋光上携带的信息提取出来.

实施例2:

进一步，如图3所示，将复用的轨道角动量数目提升至4，包括的装置为：分束器1、反射镜2、液晶空间光调制器3、移相器4、光电探测器5和差分电路6；利用三块反射镜2和两个分束器1以及一个移相器4可以组成一个相干分离单元7。

所述分束器1主要是用来将入射光束进行分束，所述液晶空间光调制器(此处选用的空间光调制器同样可以用螺旋相位板或叉形光栅进行替换)主要是用来将涡旋光转换成基模高斯光；所述反射镜2主要是用来调节光的传播方向和实现光的奇数次反射；所述相干分离单元主要是用来实现某一特定拓扑荷的OAM信道和其他OAM信道的分离；所述光电探测器5主要是用来实现光电转换；所述差分电路6主要是用来进行电流的减法运算。与实施例1的区别在于采用更多的分束器1来将光束分成更多束，在检测过程中也多采用了两个检测链路。具体的信息检测过程与实施例1雷同。

在实施例2中采用的是拓扑荷分别为+6，+3，+1，-2的四路OAM信道复用(这里的四路OAM信道调制的信息是16QAM-OFDM信号)。

根据理论推导及仿真实验表明，本方法同样适用于轨道角动量复用数目更大的自由空间光通信系统。

基于上述实施例，本发明还提供一种实现OAM的相干分离检测的方法，请参阅图4，图4是本发明实现OAM的相干分离检测的方法的的较佳实施例的流程图。

下面先介绍利用相干分离来实现不同OAM信道的分离并将OAM信道上携带的信息提取出来的方法，具体为：将接收到的已知光束作为入射光场经过多个级联的分束器之后，把入射光场分成N束光，数量刚好为复用的轨道角动量数，该分束过程还需配合使用反射镜，用于调节光束的传播方向。

将其中的一束光投射到加载了对应全息相位图的液晶空间光调制器(特殊设计的螺旋相位板或者光栅)上，对其中拓扑荷为l₁的涡旋光进行解调，将其还原成基模高斯光，得到混合了基模高斯光和涡旋光的光束，之后利用相干分离单元，把还原得到的基模高斯光相干分离出来，经过光电转换和差分电路之后能够得到拓扑荷为l₁的涡旋光上所加载的信息。

同理，只需改变空间光调制器上所加载的全息相位图(重新设计的对应的螺旋相位板或者光栅)，即可同时将其他拓扑荷上所携带的信息分别提取出来。

具体实现过程如图4所示，本发明实施例提供的一种实现OAM的相干分离检测的方法，包括以下步骤：

步骤S100，将接收到的已知光束作为入射光场经过多个级联的分束器之后，将入射光场分成N束光，数量为复用的OAM数目；

步骤S200，将经过分束后的某一束光投射到加载了对应全息相位图的液晶空间光调制器上，对其中拓扑荷为l₁的涡旋光进行解调，将其还原成基模高斯光，得到混合了基模高斯光和涡旋光的光束；

步骤S300，将得到的混合光束入射到相干分离单元，先利用分束器对该混合光束再一次进行分束得到功率相等的两束光A₁和A₂，再对A₁进行分束，得到B₁和B₂,将B₁进行奇数次反射，得到C₁，同时将B₂经过一个移相器，使其相位偏移π，得到C₂，之后将C₁和C₂进行合束，最后经过相干分离单元后得到D₁；

步骤S400，将A₂和D₁分别经过光电探测器，转换得到电流I₀和I₁；

步骤S500，利用差分电路将I₀和I₁做一个减法，得到I₂，I₂仅包含由拓扑荷为l₁的涡旋光上携带的信息；

步骤S600，重复步骤B、C、D、E，只需改变液晶空间光调制器上加载的全息相位图，即可同时将拓扑荷为l₂、l₃…l_N的涡旋光上所携带的信息解调出来。

另外，所述步骤S100中还用到了反射镜来调节光的传播方向。

综上所述，本发明公开了一种轨道角动量相干解复用的装置及分离检测的方法，所述装置包括：用于将入射光束进行分束的分束器；设置在所述分束器正下方的用于调节光的传播方向和实现光的奇数次反射的反射镜；设置在所述分束器前方的用于将具有特定拓扑荷的涡旋光转换成基模高斯光的液晶空间光调制器；设置在所述液晶空间光调制器前方用于实现某一特定拓扑荷的OAM信道和其他OAM信道的分离的相干分离单元；设置在所述相干分离单元内部用于实现光束的相位偏移π的移相器；设置在所述相干分离单元以及所述反射镜前方用于实现光电转换的光电探测器；设置在所述光电探测器前方用于将两路电流进行差分，进而将涡旋光上加载的信息提取出来的差分电路；所述分束器、液晶空间光调制器、相干分离单元、光电探测器以及差分电路依次设置在同一光轴上；所述反射镜、光电探测器以及差分电路依次设置在同一光轴上，用于实现OAM的相干分离检测。本发明提供的新型轨道角动量相干解复用的装置可用于提升现有自由空间光轨道角动量复用通信系统的检测性能及其传输距离，在涉及涡旋光场的光通信和信息处理等领域有着重要的应用前景。

当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种轨道角动量相干解复用的装置，其特征在于，所述装置包括：

用于将入射光束进行分束的分束器；

设置在所述分束器正下方的用于调节光的传播方向和实现光的奇数次反射的反射镜；

设置在所述分束器后方的用于将具有特定拓扑荷的涡旋光转换成基模高斯光的液晶空间光调制器；

设置在所述液晶空间光调制器后方用于实现某一特定拓扑荷的OAM信道和其他OAM信道的分离的相干分离单元；

设置在所述相干分离单元内部用于实现光束的相位偏移π的移相器；

设置在所述相干分离单元以及所述反射镜后方用于实现光电转换的光电探测器；

设置在所述光电探测器后方用于将两路电流进行差分，进而将涡旋光上加载的信息提取出来的差分电路；

所述分束器、液晶空间光调制器、相干分离单元、光电探测器以及差分电路依次设置在同一光轴上；所述反射镜、光电探测器以及差分电路依次设置在同一光轴上；所述装置用于实现OAM的相干分离检测；

所述相干分离单元由3块反射镜，2个分束器和1个移相器组成，第一分束器沿垂直方向将光束发射到第一反射镜，第一反射镜通过第二反射镜将光束反射到第三反射镜上，通过第三反射镜将光束反射到第二分束器上，第一分束器同时沿水平方向将光束发射到移相器，通过移相器再将光束发射到第二分束器。

2.根据权利要求1所述的轨道角动量相干解复用的装置，其特征在于，所述分束器用于将接收端接收到的已知光束等分为多束光的数量为复用的OAM数目。

3.根据权利要求1所述的轨道角动量相干解复用的装置，其特征在于：所述3块反射镜用于将涡旋光进行奇数次反射，实现拓扑荷的反转。

4.根据权利要求1所述的轨道角动量相干解复用的装置，其特征在于，所述移相器用于将光束的相位偏移π。

5.根据权利要求1所述的轨道角动量相干解复用的装置，其特征在于，所述液晶空间光调制器上加载对应特殊设计的全息相位图。

6.根据权利要求1或5所述的轨道角动量相干解复用的装置，其特征在于，所述液晶空间光调制器可用特殊设计的螺旋相位板或者光栅进行替换。

7.一种如权利要求1所述的轨道角动量相干解复用的装置实现OAM的相干分离检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，将接收到的已知光束作为入射光场经过多个级联的分束器之后，将入射光场分成N束光，数量为复用的OAM数目；

步骤B，将经过分束后的某一束光进行分束得到功率相等的两束光A₁和A₂，并将A₁投射到加载了对应全息相位图的液晶空间光调制器上，对其中拓扑荷为l₁的涡旋光进行解调，将其还原成基模高斯光，得到混合了基模高斯光和涡旋光的光束；

步骤C，将得到的混合光束入射到相干分离单元，先利用第一分束器对该混合光束再一次进行分束得到功率相等的两束光B₁和B₂，将B₁进行奇数次反射，得到C₁，同时将B₂经过一个移相器，使其相位偏移π，得到C₂，之后将C₁和C₂进行合束，最后经过相干分离单元后得到D₁；

步骤D，将A₂和D₁分别经过光电探测器，转换得到电流I₀和I₁；

步骤E，利用差分电路将I₀和I₁做一个减法，得到I₂，I₂仅包含由拓扑荷为l₁的涡旋光上携带的信息。

8.根据权利要求7所述的实现OAM的相干分离检测的方法，其特征在于，所述步骤E之后还包括：

步骤F，重复步骤B、C、D、E，只需改变液晶空间光调制器上加载的全息相位图，即可同时将拓扑荷为l₂、l₃…l_N的涡旋光上所携带的信息解调出来。

9.根据权利要求7所述的实现OAM的相干分离检测的方法，其特征在于，所述步骤A中还用到了反射镜来调节光的传播方向。