CN109495180A - 通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法与系统。本发明通过引入多模混合涡旋光束，采用N个不同的轨道角动量态，实现N比特高维数字信号编码，与传统的轨道角动量编码通信技术相比，所利用的轨道角动量态的数量减少了(2^N‑N)，大大提升了编码效率。此外，本发明的基于多轨道角动量态的高维数字信号编码由加载一系列衍射光栅实现，解码通过达曼涡旋光栅配合图像处理算法来实现，系统结构简单，易于控制，相比于现有技术具有较大进步。

Description

通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法与系统

技术领域：

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法与系统。

背景技术：

角动量是一描述物体旋转运动的物理量。与宏观物体类似，光子等微观粒子也可具有角动量。光子可携带有两种角动量，即由光子自旋运动引起的自旋角动量(spinangular momentum,SAM)和由光子轨道运动引起的轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)。光子的SAM仅具有±1两个特征值，对应于宏观上的左右旋圆偏振态。而光子的OAM的特征值可以为任意整数，即具有无穷多个特征值，对应于宏观上的螺旋形波面。

早在1992年，荷兰莱顿大学的Allen等就已经指出复振幅表达式中含有相位项的光束具有OAM，其中,l为角量子数或拓扑荷，为角向坐标。参数l为OAM的特征值，也称为OAM态，每一个光子所携带的OAM值为这种携带有OAM的光束称为OAM光束或涡旋光束，其在粒子的俘获与操纵、遥感探测、引力波探测等领域具有极高的应用价值。特别的，OAM光束的不同OAM态相互正交，可为传统的光通信系统提供一个新的模式复用维度，大大增加光通信系统的信道容量，现有报道已通过OAM模式复用技术结合传统的波分复用等技术将信道容量提升至百TB/s的量级[Light:Science&Applications 4,e257(2015)]。

此外，OAM态亦可作为编码特征，实现数字信号的高维编码。例如，选用N个不同的OAM态可表征log₂N比特的信息量，而OAM具有无穷多个特征值，使得单光子承载无穷维的信息量成为可能，极大的提升了编码效率，这种编码方式称作OAM编码。然而，在OAM编码技术中，随着编码信息量的提升，用于编码的OAM态的数量呈指数型增长，例如，需要256个不同的OAM态才能进行8比特信息量的编码。在实际的应用中，生成较高阶次的OAM态较为复杂，大探测范围的OAM态探测亦不容易，这在一定程度上限制了OAM编码技术的发展。

发明内容：

有鉴于此，本发明公开了一种通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法与系统。

本发明的一种通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法，选用N个不同的OAM态，以其包含的每一个OAM态是否存在作为编码特征，来表征一N位二进制数，进而实现N比特信息量的高维数字信号编码，与传统的OAM编码技术相比，在进行N比特的高维数字信号编码时，所利用的OAM态减少了(2^N-N)，编码效率显著提升。在解码时，采用经过特殊设计的达曼涡旋光栅为解码光栅，来准确读出码元的OAM态，进而恢复所编码的高维数字信号。

本发明的一种通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的系统，包括激光器、偏振分光棱镜、两个液晶空间光调制器、七个透镜(L1～L7)、小孔光阑、四个全反镜、红外CCD相机和主机，其中：

所述激光器，作为光源，用于生成基模高斯光束；

所述偏振分光棱镜置于激光器后方激光光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；

所述两个液晶空间光调制器的其中之一置于偏振分光棱镜后方的激光光路中，用于加载一系列编码衍射光栅，实现多轨道角动量态高维数字信号编码；

所述七个透镜中的L1和L2焦距相同，构成一4-f成像系统，且其频谱面处放置所述小孔光阑，该4-f系统置于第一个液晶空间光调制器后方的激光光路中，用于滤出一级衍射，得到编码后的OAM光束；

所述四个全反镜的其中之一置于4-f系统系统后方的激光光路中，用于改变光路方向；

所述七个透镜中的L3和L4构成一扩束系统，置于第一个全反镜后方的激光光路中，用于将编码后的OAM光束扩束，并发射到自由空间中；

所述四个全反镜的其中之三依次置于扩束系统后方的激光光路中，用于改变光路方向，实现数字信号的长距离传输；

所述七个透镜中的L5和L6构成一缩束系统，置于全反镜后方的激光光路中，用于接收经自由空间传输后的携带有数字信号的OAM光束；

所述两个液晶空间光调制器的其中之二置于缩束系统后方的激光光路中，用于加载达曼涡旋光栅，实现多轨道角动量态高维数字信号解码；

所述七个透镜中的L7置于第二个液晶空间光调制器后方的激光光路中，用于衍射光场的傅里叶变换；

所述红外CCD相机置于透镜L7的后焦面位置，用于观察经达曼涡旋光束解码衍射后的光场；

所述主机由数据传输线与CCD相机连接，用于分析CCD相机捕获的衍射光场，解码出高维数字信号。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的一种通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法，以OAM光束包含的每一个OAM态是否存在作为编码特征，实现利用N个不同的OAM态编码N比特信息量，与传统的OAM编码技术(编码N比特信息量需要2^N个OAM态)相比，编码效率显著提升；

(2)本发明的通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的系统，数字信号的编码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，结构简单，操作方便，易于调节；

(3)本发明的通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的系统，数字信号的解码通过达曼涡旋光栅结合图像处理算法实现，结构简单，解码准确。

附图说明：

图1为通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法的原理图；

图2为仿真计算得到的基于达曼涡旋光栅的多轨道角动量态编解码光斑；

图3为通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的系统示意图，其中，1-激光器，2-偏振分光棱镜，3-液晶空间光调制器，4-透镜L1，5-小孔光阑，6-透镜L2，7-透镜L3，8-透镜L4，9-全反镜，10-全反镜，11-全反镜，12-全反镜，13-透镜L5，14-透镜L6，15-液晶空间光调制器，16-透镜L7，17-红外CCD相机，18-主机；

图4为利用本发明的多轨道角动量态编解码高维数字信号方法与系统在自由空间中传输灰度图片的实验结果。

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述。

下面结合附图1，简要介绍本发明的通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法的原理。令则多模混合OAM光束可表示为：

其中，a_k为一复系数。在本发明的通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法中，a_k的虚部设为0，a_k的实部设为一二进制数(0或1)。此时，若选择N个不同的OAM态|l_k＞，则N个系数a_k会组成以N位二进制数序列{a_k}。当a_k＝1时，表示OAM态|l_k＞在多模混合OAM光束中存在，反之，当a_k＝0时，则表示表示OAM态|l_k>在多模混合OAM光束中不存在。这表明通过引入多模混合OAM光束，即可实现N个不同的OAM态表征N位二进制数序列，实现N比特的高维数字信号编码。

本发明的基于多轨道角动量态的高维数字信号编码，由一系列单一的衍射光栅配合4-f成像系统来完成，这些衍射光栅由模式搜索迭代算法(PSI算法)计算得到，可以将入射的基模高斯光束转化为OAM态分布可任意控制的多模混合OAM光束。当编码不同的N进制的数时，将其对应的衍射光栅加载于液晶空间光调制器上，再通过4-f成像系统配合小孔光阑滤出+1衍射级，即可得到经多轨道角动量态编码后携带有信息的多模混合OAM光束。

本发明的基于多轨道角动量态的高维数字信号解码，由经过特殊设计的达曼涡旋光栅配合图像处理算法来实现。当高斯光束照射所设计的达曼涡旋光栅时，其衍射场包含有N个衍射级，每一个衍射级分别为|l₁＞，|l₂>，…，|l_k>的单一模式的OAM光束。当编码后的多模混合OAM光束照射到达曼涡旋光栅上时，衍射场依然具有N个衍射级，但在第m衍射级处的光束则变为:

上式等式右侧，必然存在一m，使得l_k-l_m＝0，此时若a_m≠0，上式等式右侧存在基模|0>，则第m衍射级中心处将出现实心亮斑；若a_m＝0，上式等式右侧不存在基模|0>，则第m衍射级处将仍呈现以中空状态，中心处光强为0。依据衍射光场的这一特征，设计一图像处理算法，寻找衍射光场中出现实心中心亮斑的衍射级次，即可实现信号解码。

图2给出了两个仿真计算得到的利用达曼涡旋光栅解码的衍射光场分布，入射多模混合OAM光束中，N＝8，其所包含的OAM态为{|l_k>}＝{|-10＞,|-7＞,|-4＞,|-1>,|1>,|4＞,|7>,|10>}，所设计的达曼涡旋光束可产生8个衍射级，对应的OAM态分别为前述的相反数。当{a_k}＝{1,1,1,1,1,1,1,1}时，表征256进制数255，上述8个OAM态均存在，此时可以明显的从图2看出衍射场每一个衍射级均具有中心实心亮斑；当{a_k}＝{0,1,0,0,1,1,1,0}时，表征256进制数78，仅存在四个OAM态(|-7>，|1＞，|4>，|7>)，衍射场中只有四个特定的衍射级出现中心亮斑。

图3为本发明的通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的系统，包括激光器、偏振分光棱镜、两个液晶空间光调制器、七个透镜(L1～L7)、小孔光阑、四个全反镜、红外CCD相机和主机，其中：所述激光器，作为光源，用于生成基模高斯光束；所述偏振分光棱镜置于激光器后方激光光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；所述两个液晶空间光调制器的其中之一置于偏振分光棱镜后方的激光光路中，用于加载一系列编码衍射光栅，实现多轨道角动量态高维数字信号编码；所述七个透镜中的L1和L2焦距相同，构成一4-f成像系统，且其频谱面处放置所述小孔光阑，该4-f系统置于第一个液晶空间光调制器后方的激光光路中，用于滤出一级衍射，得到编码后的OAM光束；所述四个全反镜的其中之一置于4-f系统系统后方的激光光路中，用于改变光路方向；所述七个透镜中的L3和L4构成一扩束系统，置于第一个全反镜后方的激光光路中，用于将编码后的OAM光束扩束，并发射到自由空间中；所述四个全反镜的其中之三依次置于扩束系统后方的激光光路中，用于改变光路方向，实现数字信号的长距离传输；所述七个透镜中的L5和L6构成一缩束系统，置于全反镜后方的激光光路中，用于接收经自由空间传输后的携带有数字信号的OAM光束；所述两个液晶空间光调制器的其中之二置于缩束系统后方的激光光路中，用于加载达曼涡旋光栅，实现多轨道角动量态高维数字信号解码；所述七个透镜中的L7置于第二个液晶空间光调制器后方的激光光路中，用于衍射光场的傅里叶变换；所述红外CCD相机置于透镜L7的后焦面位置，用于观察经达曼涡旋光束解码衍射后的光场；所述主机由数据传输线与CCD相机连接，用于分析CCD相机捕获的衍射光场，解码出高维数字信号。

下面结合实施例，简要介绍本发明的通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法与系统的通信性能。

实施例：64×64像素8位灰度图片的自由空间传输

本实施例中，选取N＝8的多模混合OAM光束，利用本发明的多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法，开展8比特数字信号编码，每个码元均表示一256进制数。所传输的图片为64×64像素8位灰度北京理工大学标志，共4096个像素点，每一个像素点分为0～255个不同的灰阶值，携带的信息量为log₂256＝8比特，图像总大小为32.768千比特。通过依次在第一台液晶空间光调制器(附图3中的器件3)加载4096个编码相位，进行信号编码，同时在第二台液晶空间光调制器(附图3中的器件15)加载达曼涡旋光栅，进行信号解码。图4为所要编码传输的灰度图片和采用8比特多轨道角动量态编码后的在自由空间中传输后解码出来的图片。实验结果表明，利用8比特多轨道角动量态编码传输灰度图片的误码率为0，传输后的解码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 (4)

1.一种通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的方法，其特征在于，选用N个不同的轨道角动量态，以其包含的每一个轨道角动量态是否存在作为编码特征，来表征一N位二进制数，进而实现N比特信息量的高维数字信号编码，与传统的轨道角动量编码技术相比，在进行N比特的高维数字信号编码时，所利用的轨道角动量态减少了(2^N-N)，编码效率显著提升。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，数字信号的编码由一系列通过模式搜索迭代算法得到的相位屏来实现，该相位屏可将入射的基模高斯光束转化为轨道角动量态分布可任意控制的多模混合轨道角动量光束。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，数字信号的解码，采用编码光束照射达曼涡旋光栅，通过图像处理算法寻找实心中心亮斑出现的位置来实现。

4.一种通过多轨道角动量态编解码高维数字信号的系统，其特征在于，包括激光器、偏振分光棱镜、两个液晶空间光调制器、七个透镜(L1～L7)、小孔光阑、四个全反镜、红外CCD相机和主机，其中：

所述激光器，作为光源，用于生成基模高斯光束；

所述偏振分光棱镜置于激光器后方激光光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；

所述两个液晶空间光调制器的其中之一置于偏振分光棱镜后方的激光光路中，用于加载一系列编码衍射光栅，实现多轨道角动量态高维数字信号编码；

所述七个透镜中的L1和L2焦距相同，构成一4-f成像系统，且其频谱面处放置所述小孔光阑，该4-f系统置于第一个液晶空间光调制器后方的激光光路中，用于滤出一级衍射，得到编码后的OAM光束；

所述四个全反镜的其中之一置于4-f系统系统后方的激光光路中，用于改变光路方向；

所述七个透镜中的L3和L4构成一扩束系统，置于第一个全反镜后方的激光光路中，用于将编码后的OAM光束扩束，并发射到自由空间中；

所述四个全反镜的其中之三依次置于扩束系统后方的激光光路中，用于改变光路方向，实现数字信号的长距离传输；

所述七个透镜中的L5和L6构成一缩束系统，置于全反镜后方的激光光路中，用于接收经自由空间传输后的携带有数字信号的OAM光束；

所述两个液晶空间光调制器的其中之二置于缩束系统后方的激光光路中，用于加载达曼涡旋光栅，实现多轨道角动量态高维数字信号解码；

所述七个透镜中的L7置于第二个液晶空间光调制器后方的激光光路中，用于衍射光场的傅里叶变换；

所述红外CCD相机置于透镜L7的后焦面位置，用于观察经达曼涡旋光束解码衍射后的光场；

所述主机由数据传输线与CCD相机连接，用于分析CCD相机捕获的衍射光场，解码出高维数字信号。