CN108712216A - 轨道角动量光通信中的空间相位补偿系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道角动量光通信中的空间相位补偿系统及其方法，涉及液晶空间光调制技术，具体地说是空间光通信中对涡旋光束进行相位补偿。本系统包括依次连通的光源、调制OAM、模式复用、自由空间、解调OAM和相干检测；分别在发送端和接收端利用迭代式相位恢复算法补偿任何经过液晶空间光调制器反射的光束相位，改善由于现有工艺不足以及大气湍流导致的涡旋光束对称性不完美状态，提高光束质量，以便后续利用及传输。与现有的技术相比，本发明实现了分步矫正空间光通信系统中存在的相位畸变；②在一定程度上提高产生的涡旋光束质量与接收解调的质量，综合提高整个系统的信噪比，降低误码率；结构简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及液晶空间光调制技术，尤其涉及一种轨道角动量光通信中的空间相位补偿系统及其方法，具体地说是空间光通信中对涡旋光束进行相位补偿。
背景技术
具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)的光束称为涡旋光束(vortexbeams)，涡旋光束拥有相位因子其中为方向角，l为拓扑荷数，即一个波长中波阵面旋转的圈数，从理论上来说l可以任意取整数，即具有无限多的本征态。
由于利用具有不同拓扑荷数的涡旋光束来实现模式复用传输信息，可以极大的扩展系统容量，实现高频谱利用率的光传输，因此OAM光束的制备，传输，接收均受到广泛关注与与研究。目前在发送端利用空间光相位调制器法制得的涡旋光束由于反射面不平整会出现相位扭曲失真，OAM光束对称性欠缺，而造成实际通信信号的畸变与失真，降低了通信质量，限制了系统传输容量，而由于信号传输过程中受到大气湍流影响，在接收端涡旋光束同样存在相位畸变失真。目前为解决此类问题，在发送端可采用相位恢复算法来补偿反射面不平整导致的相位畸变，迭代生成恢复以后的相位全息图，恢复以后的相位分布与初始相位分布之差为像差函数，该函数可叠加在后续任何拓扑荷数的相位分布函数上，从而使经过液晶空间光调制器反射面反射的高斯光束能生成更加完美的涡旋光束。对于相位恢复问题，近几十年以来，国内外学者们针对可见光波长的图像提出了很多方案，并不断进行改进。最初Gerehberg和Saxton于1972年提出了经典的迭代式相位恢复算法：GS算法，Fienup于1982年提出了混合输入输出算法(Hybrid Input-output,HIO)和误差减少算法(ErrrorReducyion algorithm，ER)，HIO算法主要是对物平面限制的处理，且因为加入了负反馈而使得收敛速度大大提升，而对于ER算法可能会陷入“停滞”的缺点，国内学者杨国袖和顾本源提出了一个有效的改进算法，即“杨顾算法”。该算法的缺点是迭代的不确定性，抗噪声能力也不太理想，在此基础上，许多国内学者也提出了一些改进的算法，比如利用三幅或多幅散焦面信息的相位恢复，通过获取的散焦图的增加而改善了算法的抗噪性能。此外还有利用平面角谱传播公式在物平面和像平面上重复迭代来计算物面上的相位信息的基于平面角谱传播的迭代角谱算法(Iterative Angular Spectrum Approach)，或是在迭代过程中，光束输入端和输出端分别进行加权改进。涡旋光束通信的研究约在2012年左右才开始兴起，极少有应用相位恢复算法在涡旋光通信场景下补偿光信号质量的研究报道。
在接收端，为了矫正大气湍流导致的波前畸变，多采用自适应光学系统(Adaptiveoptics，缩写为AO)，自适应光学是一项使用可变形镜面矫正因大气抖动造成的光波波前畸变，从而改进光学系统性能的技术，其概念和原理最早是在1953年由海尔天文台的胡瑞斯·拜勃库克(Horace Babcock)提出的，配备自适应光学系统的望远镜能够克服大气抖动对成像带来的影响，将空间分辨率提高大约一个数量级，达到或接近其理论上的衍射极限，故目前越来越多的大型地面光学/红外望远镜都安装了这一系统，逐步成为各大天文台广泛使用的技术。自适应光学系统是目前补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的最有前景的技术，而该系统必须利用有限的数据在每一毫秒内做出分析并对波前畸变进行修正，虽然对通信效果确有改善，但是对光学元件精度要求高，技术复杂，成本较高，目前难以在实际通信场合中广泛使用。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种轨道角动量光通信中的空间相位补偿系统及其方法。
本发明的目的是这样实现的：
为了矫正空间光调制器本身和大气湍流带来的光学畸变，不需要复杂的自适应光学系统，也不需要高精度光学器件，通过分步矫正空间光通信系统中存在的相位畸变，从而提高产生的涡旋光束质量与接收解调的质量，综合提高系统的信噪比，降低误码率。
具体地说：
一、轨道角动量光通信中的空间相位补偿系统(简称系统)
如图1，本系统包括依次连通的光源、调制OAM、模式复用、自由空间、解调OAM和相干检测；
本系统基于涡旋光束空间光通信全过程，分别在发送端和接收端利用迭代式相位恢复算法补偿任何经过液晶空间光调制器反射的光束相位，改善由于现有工艺不足以及大气湍流导致的涡旋光束对称性不完美状态，提高光束质量，以便后续利用及传输。
二、轨道角动量光通信中的空间相位补偿方法(简称方法)
本方法包括下列步骤：
①在发送端，带有调制格式的脉冲信号光经过第一液晶空间光调制器反射面上显示的相位全息图得到初始涡旋光束，此时的涡旋光束存在由于反射面表面不平整导致的相位畸变；
②利用初始光强信息，初始相位分布函数经过迭代式相位恢复算法，得到恢复以后的相位分布函数，恢复以后的相位分布函数与初始相位分布函数的差即像差函数，此函数叠加在初始相位分布函数上，可补偿由于反射面不平整带来的相位误差，由此可得较完美的涡旋光束；
③改变第一液晶空间光调制器反射面上的相位全息图得到两束不同拓扑荷数的涡旋光束，经过合束镜使其集成为同一束光；
④在接收端，复合涡旋光束经过第二液晶空间光调制器上的反向相位全息图(若制备涡旋光束的时拓扑荷数为l，此时就为-l)可恢复出初始的带有调制格式的脉冲信号光；
⑤在自由空间中传播的复合涡旋光束存在由于大气湍流以及光学器件工艺缺陷导致的相位畸变，利用初始光强信息，初始相位分布函数经过迭代式相位恢复算法，得到恢复以后的相位分布函数，恢复以后的相位分布函数与初始相位分布函数的差即像差函数，此函数叠加在初始相位分布函数上，可补偿由于大气湍流及反射面不平整带来的相位误差，由此可得较完美的脉冲信号光；
⑥再将恢复出来的带有调制格式的脉冲信号光进行相干检测可得到信号携带的具体信息。
与现有的技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：
①实现了分步矫正空间光通信系统中存在的相位畸变
②在一定程度上提高产生的涡旋光束质量与接收解调的质量，综合提高整个系统的信噪比，降低误码率；
③结构简单，易于实现。
附图说明
图1是本系统的结构方框图；
图2是调制OAM20的结构光路图；
图3是模式复用30的结构光路图；
图4是解调OAM50的结构光路图；
图5是GS相位恢复算法的流程图。
图中：
10—光源；
20—调制OAM；
21—扩束镜；
22—准直镜；
23—光圈；
24—第一反射式液晶空间光调制器，
25—第一1/4反射镜，
26—第一透镜，
27—第一CCD相机，
28—第一处理器，
30—模式复用，
31—合束镜；
40—自由空间；
50—解调OAM；
51—第二反射式液晶空间光调制器；
52—第二1/4反射镜；
53—第二透镜；
54—第二CCD相机；
55—第二处理器。
60—相干检测。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例详细说明。
一、系统
1、总体
如图1，本系统包括依次连通的光源10、调制OAM20、模式复用30、自由空间40、解调OAM50和相干检测60；
本系统基于涡旋光束空间光通信全过程，分别在发送端和接收端利用迭代式相位恢复算法补偿任何经过液晶空间光调制器反射的光束相位，改善由于现有工艺不足以及大气湍流导致的涡旋光束对称性不完美状态，提高光束质量，以便后续利用及传输。
2、功能单元
1)光源10
选用带调制格式的脉冲信号光。
2)调制OAM20
如图2，调制OAM20包括扩束镜21、准直镜22、光圈23、第一反射式液晶空间光调制器24、第一1/4反射镜25、第一透镜26、第一CCD相机27和第一处理器28；
其连通关系是：
光源10、扩束镜21、准直镜22、光圈23和第一反射式液晶空间光调制器24依次连通，得到扩束准直的高斯光束；
第一反射式液晶空间光调制器24、第一1/4反射镜25、第一透镜26和第一CCD相机27依次连通，得到涡旋光束且被第一CCD相机27接收(第一1/4反射镜25在涡旋光束经相位补偿后加入光路，将补偿后的涡旋光束反射出去)；
第一CCD相机27、第一处理器28和第一反射式液晶空间光调制器24依次连通，利用已有的初始相位全息图和第一CCD相机27收集到的初始光强信息，通过迭代式相位恢复算法得到恢复以后的相位全息图。
其光路和工作机理是：
如图2，在发送端，由带有调制格式的脉冲信号光a1经过扩束镜21，光束a1直径扩大，发散角变小，生成光束b1，再经过准直镜22，光束b1光线由发散传播变为平行传播，生成光束c1，经过光圈23，控制光束c1通过量，生成光束d1，被第一反射式液晶空间光调制器24反射，得到初始涡旋光束，再经过第一透镜26，其光强信息被第一CCD相机27收集反馈到第一处理器28端，经过迭代循环得到恢复以后的相位全息图，恢复以后的相位分布函数与初始相位分布函数之差即像差函数，此函数可叠加在初始相位分布函数上，补偿此通信系统发送端中任一涡旋光束由于反射面不平整带来的系统相位误差；此后由第一反射式液晶空间光调制器24反射出来的涡旋光束由于反射面不平整带来的相位误差大大降低；经补偿后的涡旋光束可经第一1/4反射镜25，改变光束路线，转换为光束(i1)反射出去，完成后续光路的传输。
功能部件：
(1)扩束镜21是一种能够改变高斯光束直径和发散角的光学器件；
其功能是将光束a1直径扩大，发散角变小，生成光束b1。
(2)准直镜22是一种在光束传递系统中，能维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束的准直性光学器件；
其功能是将光束b1光线由发散传播变为平行传播，生成光束c1。
(3)光圈23是一种利用面积可变的孔状光栅来控制镜头通光量的光学器件；
其功能是控制光束c1通过量，生成光束d1方便后续传输实验。
(4)第一反射式液晶空间光调制器24是一种通过控制液晶分子上的电压来调制光场相位、偏振和强度，将信息加载到一维或二维的光场达到光波调制目的的光学器件；
其功能是将接收到的光束d1附加上相位因子生成涡旋光束e1；
(5)第一1/4反射镜25是一种利用反射定律工作的光学元件；
其功能是可以改变光束路线，使经过补偿相位全息图生成的涡旋光束改变光路转换为光束(i1)反射出去，完成后续光路的传输。
(6)第一透镜26是用透明物质制成的表面为球面一部分的具有会聚光线作用的凸透镜；
其功能是将光线平行的光束e1汇聚集中于像方焦面上的第一CCD相机27，方便第一CCD相机27收集光强信息；
(7)第一CCD相机27是一种能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化的电荷耦合器件；
其功能是将收集到的光强信息转化为电荷并将电荷存储且转移传输给第一处理器28，便于第一处理器28利用此光强信息进行相位恢复得到恢复后的相位全息图。
(8)第一处理器28是计算机或一定规模的集成电路；
其功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，将利用第一CCD相机27收集到的光强信息进行迭代式相位恢复得到恢复后的相位全息图。
第一处理器28执行GS相位恢复算法。
3)模式复用30
如图3，模式复用30包括合束镜31，将两束不同拓扑荷数涡旋光B1、B2，经过合束镜31得到复合光束C；
工作机理：
改变液晶空间光调制器上的初始相位全息图，得到两束不同拓扑荷数的涡旋光束B1和B2，经过合束镜31得到复合光束C；
功能部件：
合束镜31是一种利用光学反射原理将不同方向的两束光整合成同一束光的光学器件。
其功能是将两束从不同方向发出的激光通过光学反射整合为同束激光。
4)自由空间40
复合光束在自由空间40中传播，受到大气湍流影响，相位及强度受到影响，产生畸变。
5)解调OAM50
如图4，解调OAM50包括第二反射式液晶空间光调制器51、第二1/4反射镜52、第二透镜53、第二CCD相机54和第二处理器55；
其连通关系是：
第二反射式液晶空间光调制器51、第二1/4反射镜52、第二透镜53、第二CCD相机54依次连通，经过自由空间的复合光d2通过第二反射式液晶空间光调制器51上显示的反向相位全息图(制备涡旋光束的时拓扑荷数为l，此时就为-l)可恢复出原始高斯光束；
第二CCD相机54、第二处理器55和第二反射式液晶空间光调制器51依次连通，利用已有的初始相位全息图和第二CCD相机54收集到的初始光强信息，通过迭代式相位恢复算法得到恢复以后的相位全息图。
其光路和工作机理是：
在接收端，经过大气信道的光束d2被第二反射式液晶空间光调制器51反射，再经过第二透镜53，其光强信息被第二CCD相机54收集反馈到第二处理器55端，经过迭代循环得到恢复以后的相位全息图，恢复以后的相位分布函数与初始相位分布函数之差即像差函数，此函数可叠加在初始相位分布函数上，补偿此通信系统接收端中任一光束由于大气湍流和反射面不平整带来的相位误差；此后由第二反射式液晶空间光调制器51反射出来的光束由于大气湍流和反射面不平整带来的相位误差大大降低；经解调过后的光束可经过第二1/4反射镜52，改变光束路线，转换为光束i2反射出去，完成后续光路的传输。
功能部件：
(1)第二反射式液晶空间光调制器51是一种通过控制液晶分子上的电压来调制光场相位、偏振和强度，将信息加载到一维或二维的光场达到光波调制目的的光学器件；
其功能是将接收到的复合光束d2附加上相位因子恢复出初始的带有调制格式的脉冲信号光；
(2)第二1/4反射镜52是一种利用反射定律工作的光学元件；
其功能是可以改变光束路线，使经过补偿相位全息图生成的高斯光束改变光路转换为光束(i1)反射出去，完成后续光路的传输。
(3)第二透镜53是用透明物质制成的表面为球面一部分的具有会聚光线作用的凸透镜；
其功能是将平行光线光束e2汇聚集中于像方焦面上的第二CCD相机54，方便第二CCD相机54收集光强信息。
(4)第二CCD相机54是一种能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化的电荷耦合器件；
其功能是将收集到的光强信息转化为电荷并将电荷存储且转移传输给第二处理器55，便于第二处理器55利用此光强信息进行相位恢复得到恢复后的相位全息图；
(5)第二处理器55可以是计算机或是一定规模的集成电路；
其功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，将利用第二CCD相机54收集到的光强信息进行迭代式相位恢复得到恢复后的相位全息图；
第二处理器55执行GS相位恢复算法。
6)相干检测60
相干检测60是一种信号的解调机制；
其功能是利用调制信号的载波和接收到的已调信号相乘，然后通过低通滤波得到调制信号，即将光信号转换为电信号从而得到脉冲信号光携带的信息。
迭代式相位恢复算法选用GS相位恢复算法
如图5，GS相位恢复算法的流程如下：
①首先利用拓扑荷数为1的相位全息图作为初始全息图(拓扑荷数为1的全息图对像差变化更敏感)，其函数分布为a(x，y)exp(ih(x，y))-501；
②对其进行傅里叶变换得到A(x，y)exp(iθ(x，y))-502；
③观察判断其相位是否符合限制条件-503，
是则终止循环，得到恢复相位信号-504；
否则依次经过步骤a、b、c，再跳转到步骤②：
a、用CCD相机实际接收到的振幅A’(x，y)替代A(x，y)，构成A’(x，y)exp(iθ(x，y))-505；
b、对其进行傅里叶逆变换得到a’(x，y)exp(iH(x，y))-506；
c、用初始相位分布的振幅a(x，y)替代a’(x，y)，得到恢复以后的相位分布函数a(x，y)exp(iH(x，y))，对其进行傅里叶变换观察相位值-507；
如此循环迭代，最终得到理想相位分布函数恢复以后的相位分布与初始相位分布函数之差即为像差分布函数g(x，y)；该像差函数可叠加在任意拓扑荷数的相位全息图上，补偿此通信系统中任意光束由于大气湍流影响和反射面不平整导致相位畸变。
本发明的工作机理是：
液晶空间光调制器上显示的相位全息图是利用干涉原理,将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,使物光波前的相位信息都存储在记录介质中的干涉条纹图样，当光波照射全息图时,由于衍射原理能重现出原始物光波，故经过相位全息图反射的高斯光能根据全息图改变相位。在调制OAM环节，高斯光束d1通过相位全息图，得到携带有相位因子的涡旋光束e1，且初始相位分布函数和第一CCD相机27收集到的初始光强信息，经过迭代式相位恢复算法可得到恢复以后的相位分布函数，恢复以后的相位分布函数与初始相位分布函数的差即像差函数，此函数可叠加在后续任何拓扑荷数的相位分布函数上，补偿此通信系统中任一涡旋光束由于反射面不平整带来的系统相位误差。在解调OAM环节，复合涡旋光束d2经过大气湍流，相位发生畸变，初始相位分布函数，与第二CCD相机54收集到的初始光强信息经过迭代式相位恢复算法可得到恢复以后的相位分布函数，恢复以后的相位分布函数与初始相位分布函数的差即像差函数，此函数可叠加在后续任何拓扑荷数的相位分布函数上，在接收端补偿由于大气湍流和反射面不平整带来的相位误差。
Claims (6)
1.一种涡旋光束空间光通信中的相位补偿系统，其特征在于：
包括依次连通的光源(10)、调制OAM(20)、模式复用(30)、自由空间(40)、解调OAM(50)和相干检测(60)；
本系统基于涡旋光束空间光通信全过程，分别在发送端和接收端利用迭代式相位恢复算法补偿任何经过液晶空间光调制器反射的光束相位，改善由于现有工艺不足以及大气湍流导致的涡旋光束对称性不完美状态，提高光束质量，以便后续利用及传输。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述的调制OAM(20)包括扩束镜(21)、准直镜(22)、光圈(23)、第一反射式液晶空间光调制器(24)、第一1/4反射镜(25)、第一透镜(26)、第一CCD相机(27)和第一处理器(28)；
其连通关系是：
光源(10)、扩束镜(21)、准直镜(22)、光圈(23)和第一反射式液晶空间光调制器(24)依次连通，得到扩束准直的高斯光束；
第一反射式液晶空间光调制器(24)、第一1/4反射镜(25)、第一透镜(26)和第一CCD相机(27)依次连通，得到涡旋光束且被第一CCD相机(27)接收；
第一CCD相机(27)、第一处理器(28)和第一反射式液晶空间光调制器(24)依次连通，利用已有的初始相位全息图和初始光强信息，通过迭代式相位恢复算法得到恢复以后的相位全息图。
3.按权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述的模式复用(30)包括合束镜(31)，将两束不同拓扑荷数涡旋光(B1、B2)，经过合束镜(31)得到复合光束(C)。
4.按权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述的解调OAM(50)包括第二反射式液晶空间光调制器(51)、第二1/4反射镜(52)、第二透镜(53)、第二CCD相机(54)和第二处理器(55)；
其连通关系是：
第二反射式液晶空间光调制器(51)、第二1/4反射镜(52)、第二透镜(53)、第二CCD相机(54)依次连通，经过自由空间的复合光(d2)通过第二反射式液晶空间光调制器(51)上显示的反向相位全息图，恢复出原始高斯光束；
第二CCD相机(54)、第二处理器(55)和第二反射式液晶空间光调制器(51)依次连通，利用已有的初始反向相位全息图和初始光强信息，通过迭代式相位恢复算法得到恢复以后的相位全息图。
5.按权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述的调制OAM(20)和解调OAM(50)的GS相位恢复算法的流程如下：
①首先利用拓扑荷数为1的相位全息图作为初始全息图(拓扑荷数为1的全息图对像差变化更敏感)，其函数分布为a(x，y)exp(ih(x，y))(501)；
②对其进行傅里叶变换得到A(x，y)exp(iθ(x，y))(502)；
③观察判断其相位是否符合限制条件(503)，
是则终止循环，得到恢复相位信号(504)；
否则依次经过步骤a、b、c，再跳转到步骤②：
a、用CCD相机实际接收到的振幅A’(x，y)替代A(x，y)，构成A’(x，y)exp(iθ(x，y))(505)；
b、对其进行傅里叶逆变换得到a’(x，y)exp(iH(x，y))(506)；
c、用初始相位分布的振幅a(x，y)替代a’(x，y)，得到恢复以后的相位分布函数a(x，y)exp(iH(x，y))，对其进行傅里叶变换观察相位值(507)；
如此循环迭代，最终得到理想相位分布函数恢复以后的相位分布与初始相位分布函数之差即为像差分布函数g(x，y)；该像差函数可叠加在任意拓扑荷数的相位全息图上，补偿此通信系统中任意光束由于大气湍流影响和反射面不平整导致相位畸变。
6.基于权利要求1-5所述系统的相位补偿的方法，其特征在于包括下列步骤：
①在发送端，带有调制格式的脉冲信号光经过第一液晶空间光调制器反射面上显示的相位全息图得到初始涡旋光束，此时的涡旋光束存在由于反射面表面不平整导致的相位畸变；
②利用初始光强信息，初始相位分布函数经过迭代式相位恢复算法，得到恢复以后的相位分布函数，恢复以后的相位分布函数与初始相位分布函数的差即像差函数，此函数叠加在初始相位分布函数上，可补偿由于反射面不平整带来的相位误差，由此可得较完美的涡旋光束；
③改变第一液晶空间光调制器反射面上的相位全息图得到两束不同拓扑荷数的涡旋光束，经过合束镜使其集成为同一束光；
④在接收端，复合涡旋光束经过第二液晶空间光调制器上的反向相位全息图(若制备涡旋光束的时拓扑荷数为l，此时就为-l)可恢复出初始的带有调制格式的脉冲信号光；
⑤在自由空间中传播的复合涡旋光束存在由于大气湍流以及光学器件工艺缺陷导致的相位畸变，利用初始光强信息，初始相位分布函数经过迭代式相位恢复算法，得到恢复以后的相位分布函数，恢复以后的相位分布函数与初始相位分布函数的差即像差函数，此函数叠加在初始相位分布函数上，可补偿由于大气湍流及反射面不平整带来的相位误差，由此可得较完美的脉冲信号光；
⑥再将恢复出来的带有调制格式的脉冲信号光进行相干检测可得到信号携带的具体信息。
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