CN108123910B - 一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控方法与系统 - Google Patents

一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控方法与系统。本发明将光束轨道角动量编码技术与传统的振幅键控技术相结合，在采用有限的OAM态编码的情况下，引入了振幅键控技术，进一步提升了数字信号的编码效率。本发明的光束轨道角动量态和振幅的混合键控系统中，数字信号的调制与解调均可分别由一经特殊设计的衍射光栅配合简单的光学系统和图像处理系统来实现，结构十分简单，易于调节，并降低了系统成本。本发明相比于现有的数字信号调制解调方法与系统相比具有很大的进步，在自由空间光通信系统中具有十分广阔的应用前景。

Description

一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控方法与系统
技术领域：
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控方法与系统。
背景技术：
涡旋光束是一种新型激光束，其横截面光场呈环形，具有螺旋形波前结构。科学研究表明，涡旋光束的复振幅表达式中含有螺旋相位项
Figure BDA0001501903470000013
其中l为角量子数，也称为拓扑荷，可以为任意整数；
Figure BDA0001501903470000014
为角向坐标。涡旋光束中的每一个光子均携带有值
Figure BDA0001501903470000011
为的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)，其中
Figure BDA0001501903470000012
为约化普朗克常量，因此涡旋光束也称为携带有OAM的光束或OAM光束。涡旋光束的角量子数l决定了其包含的每一个光子所携带的OAM的多少，是涡旋光束的本征值，也被称为涡旋光束的阶次或OAM态。涡旋光束携带有OAM的这一独特性质，使得其在光通信、光镊技术、旋转探测、量子纠缠等领域具有极高的应用价值，近年来引起了国内外学者的广泛关注。
将携带有OAM的涡旋光束应用到光通信领域，可以十分有效的提升通信系统的性能。首先，涡旋光束的OAM态可以作为一个新的维度来进行信息编码，即OAM编码。N个不同OAM态(l1，l2，l3，…，lN，)可以表示一N进制数(0，1，2，…，N-1)，进而使得一次编码即具有log2N比特的信息量，相比于传统的二进制1比特编码而言，将编码效率提升了log2N倍。由于OAM态l可取无穷多个值，故理论上使一个光子承载无穷比特的信息量。另外，不同阶次l的涡旋光束相互正交，表明具有多个不同OAM态的涡旋光束的各个OAM成分可相互分离，互不影响。因此，以具有不同OAM态的涡旋光束作为载波，将模式复用技术引入传统光通信中，可大大拓展通信系统的信道容量。
在OAM编码技术中，虽然理论上可以实现一次编码承载无穷比特的信息量，但这在实际应用中却并不易实现。若要实现B比特的信息编码，则需2B不同的OAM态，例如当B＝8时，就需要256个不同的OAM态。从涡旋光束生成探测的角度来看，首先生成高阶高纯度的涡旋光束(如|l|>100)在技术上较为复杂。其次，若采用N个不同OAM态(l1，l2，l3，…，lN，)进行N进制编码，则在系统接收端须可识别l1～lN这N个OAM态。随着N的增大，接收端探测系统的OAM态探测区间也会增大，在技术上存在一定的困难。因此当前需开发新的编码技术，使得采用有限的OAM态来实现更高比特信息量的编码。
发明内容：
有鉴于此，本发明公开了一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控(orbitalangular momentum amplitude shift keying,OAM-ASK)方法与系统。
本发明的OAM-ASK的数字信号调制解调方法，将OAM编码技术与传统的振幅键控技术结合，在采用有限的OAM态编码的情况下，引入振幅键控技术，来进一步提升数字信号的编码效率。
本发明的OAM-ASK系统包括发射器和接收器两部分，其中，发射器用于实现数字信号OAM-ASK编码，具备激光器、偏振分光棱镜、液晶空间光调制器和4-f成像系统：
所述激光器，作为光源，用以产生基模高斯光束；
所述偏振分光棱镜，置于激光器发出的激光光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；
所述液晶空间光调制器，置于偏振分光棱镜后方的激光光路中，其加载一系列根据所要编码的信号而特殊设计的衍射光栅，来调制水平线偏振基模高斯光束以实现信号编码，并在+1衍射级获得经OAM-ASK调制后的激光束；
所述4-f成像系统，其由两个焦距均为f的平凸透镜以及一小孔光阑构成，置于液晶空间光调制器后方的激光光路中，用于滤出+1衍射级，滤除其他无关衍射级，获得纯净的OAM-ASK调制光束，另外，4-f成像系统各个组件间的位置关系为：第一个透镜与液晶空间光调制器的距离为f，第二个透镜与第一个透镜间的距离为2f，小孔光阑置于两个透镜中间的激光光路中，距两个透镜的距离均为f。
接收器将数字信号从OAM-ASK调制光束中解调出来，包括准直器、液晶空间光调制器、平凸透镜、CCD相机、数据传输线和主机，其中：
所述准直器用于接收发射端发射出的OAM-ASK调制光束；
所述液晶空间光调制器置于准直器后方的激光光路中，其加载一特殊设计的具有分光功能衍射光栅，将OAM-ASK调制光束按照OAM态成分的不同衍射到不同的衍射级；
所述平凸透镜的焦距为f’，置于液晶空间光调制器后方且距液晶空间光调制器距离为f’的激光光路中，给光场做傅里叶变换，以便接下来CCD相机对衍射光场的观测；
所述CCD相机置于平凸透镜后方的激光光路中，且与平凸透镜的距离为f’，用于观测衍射光场；
所述数据传输线用于连接CCD相机与主机，实现信号的实时传输；
所述主机用于分析由CCD相机观测到的衍射光场分布，以图像处理的方式分别获得接收器接收到的OAM-ASK调制光束的OAM态和归一化振幅值，进而得到所编码的数字信号，实现信号的解调。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的OAM-ASK数字信号调制解调方法，在采用有限的OAM态编码的情况下，引入振幅键控技术，来进一步提升数字信号的编码效率；
(2)本发明的OAM-ASK系统中，数字信号的调制由一系列根据所要编码的信号而特殊设计的衍射光栅实现，结构十分简单，易于调节，节约了系统成本；
(3)本发明的OAM-ASK系统中，数字信号的解调由一特殊设计的具有分光功能衍射光栅，结合图像处理算法实现，结构十分简单，易于调节，解调结果快速而准确。
附图说明：
图1为OAM-ASK原理图；
图2为加载在发射器中液晶空间光调制器上的衍射光栅及其衍射光场分布；
图3(a)为加载在接收机中液晶空间光调制器上的一种经特殊设计的具有分光功能衍射光栅；
图3(b)为不同的经OAM-ASK调制后的码元光束经图3(a)所示光栅衍射后的光场分布；
图4为OAM-ASK系统中发射器的装置示意图，其中，401-激光器，402-偏振分光棱镜，403-液晶空间光调制器，404-4-f成像系统；
图5为OAM-ASK系统中接收器的装置示意图，其中，501-准直器，502-液晶空间光调制器，503-平凸透镜，504-CCD相机，505-数据传输线，506-主机；
图6为4比特OAM-ASK中用于部分数字信号编码的衍射光栅，及实验获得的对应的编码调制后的光束与解调后用于图像处理分析解调的光场分布；
图7为7比特OAM-ASK中用于部分数字信号编码的衍射光栅，及实验获得的对应的编码调制后的光束与解调后用于图像处理分析解调的光场分布；
图8(a)为实验中所要传输的灰度图片；
图8(b)为利用4比特OAM-ASK将图8(a)所示的图片在自由空间中传输10米后接收器解调出来的图片；
图8(c)为利用7比特OAM-ASK将图8(a)所示的图片在自由空间中传输1米后接收器解调出来的图片；
具体实施方式：
下面结合附图并实施例，对本发明做一详细的描述。
下面结合附图1，简要介绍本发明的轨道角动量态和振幅的混合键控(OAM-ASK)原理。在数字信号调制解调技术中，若采用N个不同的OAM态进行OAM编码表示一N进制数，则经过编码后每一个码元具有log2N比特的信息量。若采用M个不同的离散振幅值做M进制振幅键控调制以表示一M进制数，则经过编码后每一个码元具有log2M比特的信息量。由于OAM态和振幅分别为光束的两个独立的维度，因此若将N进制OAM编码和M进制振幅键控技术结合在一起，它们将互不干扰，则可在一次编码的时候同时调制光束的OAM态和振幅，经该编码调制后的每一个码元将具有log2N+log2M＝log2(MN)比特的信息量，此即本发明的OAM-ASK。OAM-ASK分别将单一N进制OAM编码与单一M进制振幅键控的信息量增加了log2M比特和log2N比特。与传统的二进制编码(每个码元具有1比特信息量)相比，将编码效率提升了log2(MN)倍。
本发明的OAM-ASK的数字信号调制，由一系列单一的衍射光栅配合4-f成像系统来完成。这种经过特殊设计的光栅，必须能够独立的调制基模高斯光束的OAM态和振幅这两部分。设衍射光栅的相位分布函数为P(x)，则其透过率函数可经傅里叶展开为：
Figure BDA0001501903470000031
其中，b为衍射级次，γ为表征光栅常数的参数。cb为傅里叶系数，表示位于衍射级b处的光场的复振幅：
Figure BDA0001501903470000032
上式中，|cb|、σb、lb分别为衍射级b处光场的振幅、初始相位和OAM态。衍射光栅的透过率函数的傅里叶展开式表明，可通过设定b、|cb|、σb、lb等参数决定衍射场有哪些衍射级存在以及位于各个存在的衍射级上的光场的复振幅。
基于以上原理，本发明规定用于OAM-ASK数字信号调制的衍射光栅，具有±1两个衍射级。其中，+1衍射级为经OAM-ASK调制后需要发射的光束。在设计衍射光栅时，根据所要编码的码元，通过设定参数l+1以调制位于+1衍射级的光束的OAM态，通过设定参数|c-1|和|c+1|来调节±1两个衍射级的相对强度以实现对位于+1衍射级的光束的振幅调制，进而分别独立的调制位于+1衍射级的光束的OAM态和振幅。图2第一列给出了四个表示不同码元的衍射光栅范例，其中前三行分别在+1衍射级生成OAM态为+1，但强度不同的光束；第三和第四行分别为+1衍射级生成强度相同但OAM态分别为+1和+3的光束。图2第二列为高斯光束照射第一列所示的衍射光栅后对应的衍射光场。图2第三列为第二列所示的衍射光场与基模高斯光束的干涉场，以表征位于+1衍射级的光束的OAM态。
最后通过4-f成像系统配合小孔滤出+1衍射级，得到经OAM-ASK调制编码后携带有信息的光束。
本发明的OAM-ASK的数字信号解调，由一衍射光栅配合图像处理算法来完成。用于信号解调的衍射光栅具有根据光束OAM成分来分光功能，通常可由达曼涡旋光栅来实现，如图3(a)所示。本发明采用计算机图像处理的方法，来分析调制后的光束经图3(a)所示光栅后的衍射场，直接得到当前码元的OAM态和振幅信息，如图3(b)所示。该图像处理算法的具体运行过程详见本申请人先前已授权的国家发明专利“一种测量光束轨道角动量谱的装置与系统”(专利号：ZL201510867994.1)。
本发明的OAM-ASK系统包括发射器和接收器两部分。
发射器用于实现数字信号OAM-ASK编码，具备激光器、偏振分光棱镜、液晶空间光调制器和4-f成像系统，如图4所示。其中：所述激光器，作为光源，用以产生基模高斯光束；所述偏振分光棱镜，置于激光器发出的激光光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；所述液晶空间光调制器，置于偏振分光棱镜后方的激光光路中，其加载一系列根据所要编码的信号而特殊设计的衍射光栅，来调制水平线偏振基模高斯光束以实现信号编码，并在+1衍射级获得经OAM-ASK调制后的激光束；所述4-f成像系统，其由两个焦距均为f的平凸透镜以及一小孔光阑构成，置于液晶空间光调制器后方的激光光路中，用于滤出+1衍射级，滤除其他无关衍射级，获得纯净的OAM-ASK调制光束，另外，4-f成像系统各个组件间的位置关系为：第一个透镜与液晶空间光调制器的距离为f，第二个透镜与第一个透镜间的距离为2f，小孔光阑置于两个透镜中间的激光光路中，距两个透镜的距离均为f。
接收器将数字信号从OAM-ASK调制光束中解调出来，包括准直器、液晶空间光调制器、平凸透镜、CCD相机、数据传输线和主机，如图5所示，其中：所述准直器用于接收发射端发射出的OAM-ASK调制光束；所述液晶空间光调制器置于准直器后方的激光光路中，其加载一特殊设计的具有分光功能衍射光栅，将OAM-ASK调制光束按照OAM态成分的不同衍射到不同的衍射级；所述平凸透镜的焦距为f’，置于液晶空间光调制器后方且距液晶空间光调制器距离为f’的激光光路中，给光场做傅里叶变换，以便接下来CCD相机对衍射光场的观测；所述CCD相机置于平凸透镜后方的激光光路中，且与平凸透镜的距离为f’，用于观测衍射光场；所述数据传输线用于连接CCD相机与主机，实现信号的实时传输；所述主机用于分析由CCD相机观测到的衍射光场分布，以图像处理的方式分别获得接收器接收到的OAM-ASK调制光束的OAM态和归一化振幅值，进而得到所编码的数字信号，实现信号的解调。
实施例1：采用4比特OAM-ASK信号在自由空间中传输10米。
本实施例中，选取N＝8个不同的OAM态(l∈{-4,-3,-2,-1,+1,+2,+3,+4})，和M＝2个离散的归一化振幅值(1，0.707)，每个码元表示一MN＝16进制数字信号，携带的信息量为log2(MN)＝4比特。本实施例在自由空间中将4比特OAM-ASK信号传输10米，共传输5000个码元，20000比特的信息。图6给出了本实施例中用于给部分16进制数字信号编码调制的衍射光栅，及实验获得的对应的编码调制后的光束与解调后用于图像处理分析解调的光场分布。本实施例的实验中，将接收端解调出来的数字信号与编码的数字信号对比得0误码率，表明4比特OAM-ASK信号具有非常好的通信性能。
实施例2：采用7比特OAM-ASK信号在自由空间中传输1米。
本实施例中，选取N＝32个不同的OAM态(l∈[-16,-1]∪[+1,+16]∩Z)，和M＝4个离散的归一化振幅值(1,0.894,0.806,0.707)，每个码元表示一MN＝128进制数字信号，携带的信息量为log2(MN)＝7比特。本实施例在自由空间中将7比特OAM-ASK信号传输1米，共传输2858个码元，20006比特的信息。图7给出了本实施例中用于给部分128进制数字信号编码调制的衍射光栅，及实验获得的对应的编码调制后的光束与解调后用于图像处理分析解调的光场分布。本实施例的实验中，将接收端解调出来的数字信号与编码的数字信号对比得0误码率，表明7比特OAM-ASK信号具有非常好的通信性能。
实施例3：采用OAM-ASK信号在自由空间中传输一幅灰度图片。
本实施例中，分别采用4比特OAM-ASK信号和7比特OAM-ASK信号在自由空间中将一副图片传输了10米和1米。所选取的灰度图片为一50×50像素的北京理工大学标志，图像大小为20千比特。图8(a)、图8(b)和图8(c)分别为所要传输的灰度图片、采用4比特OAM-ASK信号在自由空间中传输10米后接收器解调出来的图片和采用7比特OAM-ASK信号在自由空间中传输1米后接收器解调出来的图片。实验结果表明，无论是4比特OAM-ASK，还是7比特OAM-ASK，误码率均为0，传输后的接收器解调出来的图片与发射器编码调制的图片完全一致。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控混合数字信号调制解调方法，其特征在于，将数字信号的轨道角动量态编码技术与传统的振幅键控技术结合：
(1)采用N个不同的轨道角动量态进行轨道角动量编码表示一N进制数，经过编码后每一个码元具有log2N比特的信息量，采用M个不同的离散振幅值做M进制振幅键控调制以表示一M进制数，经过编码后每一个码元具有log2M比特的信息量；
(2)设计特殊的衍射光栅将N进制轨道角动量编码和M进制振幅键控技术结合，该光栅具有±1两个衍射级，位于衍射级b处的光场的复振幅为：
Figure FDA0002470274830000011
其中+1衍射级(b＝+1)为经轨道角动量态和振幅的混合键控调制后需要发射的光束，根据所要编码的码元，通过设定参数l+1以调制位于+1衍射级的光束的轨道角动量态，通过设定参数|c-1|和|c+1|来调节±1两个衍射级的相对强度以实现对位于+1衍射级的光束的振幅调制，进而分别独立的调制位于+1衍射级的光束的轨道角动量态和振幅；
(3)由于轨道角动量态和振幅分别为光束的两个独立的维度，使得在一次编码的时候可同时调制光束的轨道角动量态和振幅，经该编码调制后的每一个码元将具有log2N+log2M＝log2(MN)比特的信息量，与传统的二进制编码相比，将编码效率提升了log2(MN)倍；
该方法的另一特征在于，编码产生的是同时具有时变振幅和时变轨道角动量态的携带有信息的激光束。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，数字信号的解调由具有根据光束轨道角动量成分分光功能的衍射光栅配合图像处理算法来实现。
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