CN108279508B - 一种涡旋光束复用和解复用的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学领域中的涡旋光场调控的技术领域，更具体地，涉及一种涡旋光束复用和解复用的方法及装置。可解决当前通信系统中涡旋光束复用和解复用的技术难点。本发明除能将非同轴的涡旋光束合并成同轴的复合涡旋光束，实现对涡旋光束的复用外，还可将同轴的复合涡旋光束分离为非同轴的涡旋光束，实现对同轴涡旋光束的解复用。本发明的复用解复用装置需进行两次光学几何变换，且在两次变换之间光束聚焦的位置，插入光学元件对光束进行偏转，从而改变不同拓扑荷的涡旋光的到达位置。本装置也可在涡旋光束解复用的输出端面增加螺旋相位，使之输出为分离的平面波光束，进而较易的将光束聚焦并耦合入光纤，以便与现有的通信系统相容。

Description

一种涡旋光束复用和解复用的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学领域中涡旋光场的调控技术领域，更具体地，涉及一种涡旋光束复用和解复用的方法及装置。

背景技术

从20世纪30年代起，人们开始意识到光束能携带更复杂的角动量，直到1992年，Allen等人首次发现了具有螺旋相位波前因子exp(ilθ)的光束，其每光子能够携带lħ的轨道角动量（OAM），其中l为拓扑荷，θ为柱坐标系下的方位角。由于携带轨道角动量的光束具有螺旋的相位结构，我们通常也称之为涡旋光束。自Allen等人相继报道了涡旋光束的相关论文后，涡旋光束在世界范围内迅速成为研究热点，并将其应用于实践。近年来，涡旋光束的应用已涉及到光学操作，成像，量子光学，以及光通信等诸多领域。光通信作为涡旋光束的一个热门研究领域，在于涡旋光束具有数量无限且彼此正交的OAM模式，这些模式可用于模分复用。而模分复用可与现有的通信技术相容，从而能够大幅度的提升光通信系统的容量。因此，涡旋光束在该领域有着十分广阔的应用前景。

涡旋光束通信系统一般包括涡旋光束的产生、非同轴涡旋光的复用、同轴涡旋光的传输、同轴涡旋光的解复用和非同轴光的探测五部分组成，其中复用和解复用是整个过程的关键核心组成部分。目前，涡旋光束的复用和解复用主要有三种方法。一种是利用光分束镜，分束器将同轴涡旋光束的能量分成两部分，但各自携带原有的所有OAM模式，进而分别通过相应的螺旋相位片筛选对应螺旋态逐一处理。通过多个分束镜的合理装配，可实现多路涡旋光束的复用解复用。然而，当光束中包含较多阶数的OAM模式时，系统需要较多数量的分束镜和相位片等器件，因此能量转换效率较低。深圳大学雷霆等人利用达曼光栅实现了涡旋光束的复用解复用，该方法能够实现较多数目的涡旋光的复用和解复用。在发射端，通过涡旋达曼光栅，可将在不同光栅衍射级次方向上入射的高斯光合轴产生复合的涡旋光束；在接收端，同轴的涡旋光束通过达曼光栅可以在不同衍射级次上形成高斯光，然而，由于各个模式的OAM态的能量会分散到各个衍射级次，而只有同该级次拓扑荷相反的OAM模式才能转化成高斯光，因此该方法的能量转换效率也较低。此外，格拉斯哥大学Leach等人采用干涉仪法也可实现复合涡旋光束的解复用，但由于其分离多路涡旋光束的实现过程极为繁琐，且系统光路复杂，故而不能满足实际需要。因此，要在通信系统中利用涡旋光束，迫切需要提出更高效的可将不同拓扑荷的涡旋光进行复用和解复用的方法。

此前，莱顿大学Berkhout等人运用一种光学几何坐标变换的方法，可将环形光束变换为矩形光斑，从而将涡旋光的螺旋相位梯度变换为平面相位梯度，再经过透镜聚焦作用后不同拓扑荷的涡旋光束即聚焦到不同位置，该方法可用来复用和解复用涡旋光束，且理论上能量转换效率不会随着OAM模式数量的增多而降低。帕多瓦大学Ruffato等人利用上述变换光学的方法将多路标准单模光纤的出射光束转换为复合的涡旋光束，其呈现类似长椭圆形的光强分布，而非圆对称的高斯光束，因此与光纤出来的光束不匹配。而此方案假如将光纤出射的高斯光变换为类似长椭圆形的光斑，却不便于实现复用。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的缺点，提供一种对涡旋光束进行复用和解复用的方法及装置，解决光学几何坐标变换在涡旋光束的复用和解复用中存在的缺陷。

本发明的技术方案是：一种对涡旋光束进行复用和解复用的方法，其中，包括以下步骤：

对输入的复合的涡旋光束或多个分离的涡旋光束进行光学几何变换，使之变换为相应的重叠的矩形光束或多个分离的矩形光束；

对上述重叠的或分离多个的矩形光束进行聚焦，得到多个分离的聚焦光斑；

对上述多个聚焦光斑进行偏转，得到多个分离的矩形光束或重叠的矩形光束；

对多个分离的矩形光束或重叠的矩形光束，再进行一次几何变换，得到多个分离的涡旋光束，或复合的涡旋光束；

由以上步骤可实现将同轴的复合涡旋光变换为分离的涡旋光的解复用过程，或将分离的涡旋光变换为同轴的复合涡旋光的复用过程。

本发明基于几何变换的基本原理，提出了一种全新的涡旋光束复用和解复用的装置，该装置可实现同轴涡旋光束和非同轴涡旋光束之间的转换。并且，该装置还可调整解复用后光束的输出位置，从而实现涡旋光束的路由。

进一步的，包含两次光学几何变换过程，第一次是将多个同轴的或非同轴的圆环形光斑变换为多个分离的或重叠矩形光斑，第二次是将多个分离的或重叠的矩形光斑变换为多个非同轴的或同轴的圆环形光斑。

进一步的，所述的光学几何变换过程可采用静态相位元件或者空间光调制器等动态相位调制元件实现。

进一步的，所述的在第一次光学几何变换得到矩形光斑后，需让光束进一步传播并聚焦，在聚焦位置得到分离的光斑后，再加入适当的相位器件对每个聚焦光斑分别偏转特定的角度。

进一步的，通过改变第一次光学几何变换后的聚焦光斑的偏转角度实现涡旋光束的路由选择。

进一步的，应用对涡旋光束进行复用和解复用的方法的装置，包括多个变换过程所需的相位型光学器件，分别对光路进行传输。

该装置主要功能在于，将非同轴的涡旋光束合轴，将同轴的复合的涡旋光束分离到不同位置。这是本发明的核心内容，也是我们着重解决的问题。由该装置，也可以在复用系统的输入端面增加螺旋相位，直接以高斯光束输入，产生复合涡旋光束。或者在解复用系统的输出端面施加螺旋相位，使输出的分离的涡旋光束替换为高斯光束，进而可以耦合进光纤。这也是本系统能够解决的问题。

本发明所采用的技术方案需要进行两次光学几何变换，从而在通信系统在发射端实现涡旋光束的复用，在接收端实现同轴涡旋光束的解复用。在两次几何变换之间，也就是光束聚焦的时候，通过插入光学元件对光束进行偏转，从而改变不同拓扑荷的涡旋光的到达位置。如果用于偏转的光学元件可动态调节，则可以随时切换不同拓扑荷的涡旋光束的输出位置，从而也能实现光路由。装置中使用的元件都可为相位型器件，故能量效率较高。且效率原则上保持不变，不会随复用的OAM模式数量的增多而降低。

在涡旋光束通信系统中，本发明关注光束的复用，解复用及路由过程。

与现有技术相比，其优点为：本发明可在发射端将一组平行传输的非同轴的涡旋光束，变换为同轴的复合的涡旋光束。在接收端，将同轴的涡旋光束，变换为非同轴的平行传输的涡旋光束。本发明进行复用和解复用的方法互为逆过程。同时，本方法还可以任意配置各个拓扑荷的涡旋光束的输出位置，实现对涡旋光束的路由。

附图说明

图1是本发明复用和解复用方法的具体实现过程示意图。

图中1为同轴的复合涡旋光束，2为复合涡旋光束变换后对应的重叠的矩形光束，3为矩形光束的聚焦光斑，4为分离的涡旋光束变换后对应的分离的矩形光斑，5为分离的涡旋光束。6-10为变换过程所需的相位型光学器件。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，由左往右表示复合的涡旋光束经过系统之后分成若干平行传输的涡旋光束的过程。并且该过程可逆向运用，反过来从右往左则是若干非同轴的平行的涡旋光束经系统变换为同轴复合涡旋光束的过程。

我们先说明从左往右的解复用过程。

首先，在这里我们的输入1指同轴的复合涡旋光束。

该光束经过光学元件6之后会开始进行变换。

光束到达光学元件7之后，复合的环形光束变为重叠的矩形光束2。光学元件7一方面对变换进行相位补偿，另一方面对光束进行聚焦。

到达8处的为聚焦后的光束3，这时各个拓扑荷的涡旋光束分别聚焦到不同位置。通过光学元件8我们将聚焦后的光束折射到不同的方向上去。

光束到达光学元件9又恢复为矩形光束4，且由于光学元件8的折射作用，这时各个矩形已经不再重叠。同时通过元件9，我们再分别对它们进行几何变换。

光束到达光学元件10时，各个矩形光束变换为分离的环形光束5，即各个拓扑荷的涡旋光束已经分离。在通过元件10的相位补偿作用，我们就完成了同轴的复合涡旋光束到分离的涡旋光束的变换过程。

我们要说明的是，光束到达元件10处是虽然为分离的环形光束，但由于元件10本身为自定义的光学器件，它也可以加入与涡旋光束相反的螺旋相位以及透镜相位，便可以将各环形光束聚焦为类高斯光束，也即能实现复合涡旋光束到分离的高斯光束的转换过程。

此外需要注意的是元件8处，复合涡旋光束到达此处已经分离为聚焦光斑。但此光斑不具备圆对称的强度分布，不利于耦合进入光纤。因而在这里，我们通过将各个光斑进行不同程度的折射，使之分离到元件9处不同的位置上。而这种折射方向的控制是可调的，即可以随意调换元件9处各个矩形光斑的位置，因而本系统也可以用于光路由。

至此，我们详细说明了从左往右的解复用过程。

从右往左的复用过程则完全是从左往右解复用的逆过程。

同样的，右端输入的可以是不同拓扑荷的涡旋光束，也可以是高斯光。

如果输入的是涡旋光，则直接进行几何变换。如果输入的是高斯光，则元件10需额外加入螺旋相位，再进行几何变换。

其他过程则基本与解复用过程相反，我们要特别说明一下光学元件8。我们仍然在元件8处将各个聚焦的光斑进行折射，只是目的与解复用时相反。我们希望在元件7处得到重叠的矩形光斑，以便经几何变换得到同轴的复合涡旋光束。

由此，我们也就实现了非同轴涡旋光束到同轴复合涡旋光束的变换。

最后，本发明装置可以总结如下：

本装置从左往右能实现解复用过程，从右往左能实现复用系统。

无论是复用还是解复用，过程的实现需要两次几何变换，这两次变换本身是相反的过程，之所以能够用来复用和解复用关键在于光学元件8的折射作用。解复用时通过元件8将矩形光束分开，复用时则利用元件8使矩形光束重叠。

同时，将复用系统与解复用系统相连接，可作为以同轴的复合涡旋光束进行传输，并需要光路由的涡旋光束通信系统的复用解复用方案。通过调控光学元件10，则可进一步实现从多路高斯光输入到多路高斯光输出的通信连接。

显然，本发明的上述实施案例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种涡旋光束复用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对输入的多个分离的涡旋光束进行光学几何变换，使之变换为多个分离的矩形光束；

对上述多个分离的矩形光束进行聚焦，得到多个分离的聚焦光斑；

对上述多个聚焦光斑进行偏转，得到重叠的矩形光束；

对重叠的矩形光束，再进行一次几何变换，得到同轴的复合涡旋光束；

由以上步骤可实现将分离的涡旋光变换为同轴的复合涡旋光的复用过程。

2.根据权利要求1所述的一种涡旋光束复用的方法，其特征在于，包含两次光学几何变换过程，第一次是将多个非同轴涡旋光束变换为多个分离的矩形光束，第二次是将重叠的矩形光束变换为同轴的复合涡旋光束。

3.根据权利要求2所述的一种涡旋光束复用的方法，其特征在于，所述的光学几何变换过程采用静态相位元件或者空间光调制器实现。

4.根据权利要求2所述的一种涡旋光束复用的方法，其特征在于，在第一次光学几何变换得到矩形光束后，需让光束进一步传播并聚焦，在聚焦位置得到分离的聚焦光斑后，再加入适当的相位器件对每个聚焦光斑分别偏转特定的角度。

5.根据权利要求4所述的一种涡旋光束复用的方法，其特征在于，通过改变第一次光学几何变换后的聚焦光斑的偏转角度实现涡旋光束的路由选择。

6.应用权利要求1所述的涡旋光束复用的方法的装置，其特征在于，包括多个变换过程所需的相位型光学器件，分别作用于光束。

7.一种涡旋光束解复用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对输入的同轴复合涡旋光束进行光学几何变换，使之变换为重叠的矩形光束；

对上述重叠的矩形光束进行聚焦，得到多个分离的聚焦光斑；

对上述多个聚焦光斑进行偏转，得到多个分离的矩形光束；

对多个分离的矩形光束，再进行一次几何变换，得到多个分离的涡旋光束；

由以上步骤可实现将同轴的复合涡旋光变换为分离的涡旋光的解复用过程。

8.根据权利要求7所述的一种涡旋光束解复用的方法，其特征在于，包含两次光学几何变换过程，第一次是将同轴的复合涡旋光束变换为重叠的矩形光束，第二次是将多个分离的矩形光束变换为多个非同轴涡旋光束。

9.根据权利要求8所述的一种涡旋光束解复用的方法，其特征在于，所述的光学几何变换过程采用静态相位元件或者空间光调制器实现。

10.根据权利要求8所述的一种涡旋光束解复用的方法，其特征在于，在第一次光学几何变换得到矩形光束后，需让光束进一步传播并聚焦，在聚焦位置得到分离的聚焦光斑后，再加入适当的相位器件对每个聚焦光斑分别偏转特定的角度。

11.根据权利要求10所述的一种涡旋光束解复用的方法，其特征在于，通过改变第一次光学几何变换后的聚焦光斑的偏转角度实现涡旋光束的路由选择。

12.应用权利要求7所述的涡旋光束解复用的方法的装置，其特征在于，包括多个变换过程所需的相位型光学器件，分别作用于光束。

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