CN109714104A - 一种太比特轨道角动量通信链路及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太比特轨道角动量通信链路及系统，涉及通信链路技术领域，发射端包括第一空间光调制器和光开关，第一空间光调制器通过光路连接光开关且设置于光开关的前端，以先将激光转换为涡旋光后再调制上信号；改变了光开关和调制器的顺序，由“调制后再涡旋”变成“先涡旋后调制”的通信链路，构成了一种新的链路结构；提高通信速度、信号质量、降低信号误码率；研究结果显示，在单通信链路下VM链路相比VAM通信速度可以提升0.126 GBit/s；在16‑QAM调制八路复用下，VM相比VAM链路速度可以提升15.5GBit/s；在发射端相同条件下接收信号误码率有2～4个数量级的提升。该方法简单，易实现，对通信速度有明显提高，可在涡旋光高容量通信中提供广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及通信链路技术领域，尤其涉及一种太比特轨道角动量通信链路及系统。
背景技术
光学涡旋作为一种携带轨道角动量的特殊光束，因独特的结构化螺旋相位波前以及“甜甜圈”形光强分布，使其在光学操控、光信息处理、光子计算机、量子通信、光通信领域都有重要应用前景。因为涡旋光在平面波振幅、相位、频率以及偏振基础上增加了轨道角动量这个新维度。涡旋光束可以携带无穷正交的轨道角动量态，使传输的信道数量增加，能获得更高的信道容量，所以近年来基于涡旋光束轨道角动量通信已经成为光通信领域的研究热点之一。从理论上讲，轨道角动量与其他物理量之间彼此独立，因此轨道角动量通信技术能通过与现有的WDM、PDM等技术有机融合，实现轨道角动量通信与传统光通信的无缝兼容。
随着通信需求的市场越来越庞大，频带资源也越来越宝贵，怎样提高通信效率必然成为研究的重点和难点。近来，围绕提高调制速率、轨道角动量复用数量、探测器灵敏度等方面都有了可观的研究，涡旋光通信的各方面性能都得到了有效的提升，涡旋光通信技术也随之变得完善。目前的研究中，主要集中在使用更多信道复用去得到更高通信速率，如Jian Wang等采用的8路轨道角动量复用通信技术。传统结构中增加信道数量可以提高信道速率，但是只能机械地乘以增加速率，这具有很大的局限性。
发明内容
本发明针对背景技术的问题提供一种太比特轨道角动量通信链路及系统，通过改变链路结构进而改变通信速率，当进行多路复用时，每一条链路都将有速度的提高，最终可以使整个通信链路的通信速率成倍提高。
为了实现上述目的，本发明提出一种太比特轨道角动量通信链路，包括：发射端和接收端，发射端与接收端之间通过光路进行连接，其中，所述的发射端，包括：第一空间光调制器和光开关，第一空间光调制器通过光路连接光开关且设置于光开关的前端，以先将高斯光束转换为涡旋光后再调制上信号。
优选地，所述的接收端，包括：与第一空间光调制器加载相反相位的第二空间光调制器和检测器，其中，第二空间光调制器通过光路连接检测器以将光信号恢复成高斯光束并检测。
优选地，所述的发射端与接收端之间通过望远镜系统进行平行光路连接。
优选地，所述的发射端还包括激光生成装置，激光生成装置通过光路连接第一空间光调制器。
优选地，所述的光开关采用马赫曾德调制器。
本发明还提出一种太比特轨道角动量通信链路复用系统，包括多条如所述的太比特轨道角动量通信链路，且各链路的发射端通过合束器进行各光束合束，各链路的接收端通过分束器对接收的光信号进行分束。
本发明提出一种太比特轨道角动量通信链路及系统，改变了光开关和调制器的顺序，由“调制后再涡旋(Vortex after Modulation，VAM)”变成“先涡旋后调制(VortexModulation，VM)”的通信链路，构成了一种新的链路结构；通过研究表明这种新的通信链路相比传统通信链路有如下优点：
提高通信速度、提升信号质量、降低信号误码率；研究结果显示，在单通信链路下VM链路相比VAM通信速度可以提升0.126GBit/s；在16-QAM调制八路复用下，VM相比VAM链路速度可以提升15.5GBit/s；在发射端相同条件下接收信号误码率有2～4个数量级的提升。该方法简单，易实现，对通信速度有明显提高，可在涡旋光高容量通信中提供广泛的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明第一优选实施例中太比特轨道角动量通信链路结构示意图；
图2为本发明第一优选实施例中太比特轨道角动量通信链路结构对比图；
图3为本发明第一优选实施例中发射与接收信号波形图和眼图，其中，图(a)为发射功率在9dB时的波形图和眼图，图(b)为发射功率在11dB时的波形图和眼图，图(c)为相同发射功率下传输的误码率对比以及传输的因子对比示意图；图(d)为接收端信号误码率对比示意图；
图4为本发明第一优选实施例中信号传输的频谱图；
图5为本发明第一优选实施例中携带信息的轨道角动量波束的复用/解复用以及偏振复用/解复用示意图，其中，图(a)为多路复用的信息传输示意图，图(b)为偏振复用和解复用示意图；图(c)为不同轨道角动量的分离、滤波和探测示意图；
图6为本发明第二优选实施例中光场与误码率和传输速度差比较示意图，其中，图(a)为模拟轨道角动量光场与模拟轨道角动量复用光场图，图(b)为不同轨道角动量涡旋光与高斯光场干涉图，图(c)为实验中不同轨道角动量光场图与涡旋光轨道角动量复用后的光场示意图；图(d)为VM调制方式在八路复用情况下误码率对比示意图；图(e)为VAM调制方式在八路复用情况下误码率对比示意图；图(f)为在单路，八路复用和16-QAM八路复用下传输速度差对比图；图(g)为16-QAM信号复用通信接收端信号星座图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种太比特轨道角动量通信链路；
本发明第一优选实施例中，如图1所示，包括：发射端和接收端，发射端与接收端之间通过光路进行连接，其中，所述的发射端，包括：第一空间光调制器和光开关，第一空间光调制器通过光路连接光开关且设置于光开关的前端，以先将激光转换为涡旋光后再调制上信号，所述的光开关采用马赫曾德调制器；所述的接收端，包括：与第一空间光调制器加载相反相位的第二空间光调制器和检测器，其中，第二空间光调制器通过光路连接检测器以将光信号恢复成高斯光束并检测；所述的发射端与接收端之间通过望远镜系统进行平行光路连接，传输信道可为FSO信道或光纤波导。
本发明实施例中，改变光开关和空间光调制器之间的顺序，产生一种有别于普通调制方法的新方法；如图2所示，本发明搭建了传统结构的通信链路构成了VAM链路，改变光开关和空间光调制器使用顺序，构成了VM链路；传统方法是：将光输入到光开关调制上信号，再经过空间光调制器将高斯光变成涡旋光，再经过望远镜系统变成平行光束。接收端将光接收，经过一个加载相反相位信息的空间光调制器恢复成高斯光束；新方法是：先产生涡旋光再通过光开关调制上信号，通过改变这两者的顺序可以提高信噪比，降低误码率。
当光通过马赫振德调制器时，马赫振德调制器调节两个通道的电压，改变折射率间接改变光程差，使两束光的光程差为π可以实现消光，为0可以使光通过。通过电信号控制光的通断可以实现电信号向光信号的转变。
描述马赫曾德调制器行为的方程式是：
Eout(t)＝Ein(t)·cos(Δθ(t))·exp(j·Δφ(t)) (1)
其中两分支之间的相位差定义为：
其中:
和信号的相变定义为：
其中，如果负信号啁啾为真，则参数SC为-1；如果负信号啁啾为假，则参数SC为1。extrat是消光比，SF是对称因子，而Modulation(t)是电输入信号，电输入信号在0和1之间归一化。
同时，空间光调制器是一种能够使高斯光变成涡旋光或者涡旋光恢复成高斯光的光学器件，是产生涡旋光的核心，它对光的影响将不仅改变光的自旋角动量还改变轨道角动量。所产生涡旋光的拓扑荷与空间光调制器加载的相位图案信息满足一定的关系。
空间光调制器使用的液晶材料为超高速液晶，利用液晶的双折射效应及扭曲特性，当光进入双频液晶空间光调制器后，对应的o光和e光的折射率不同导致光束中的o光和e光分离。o光和e光在液晶空间光调制器中的传输速度不同，同时利用液晶的扭曲效应，在空间光调制器两端施加不同的电压时液晶分子会发生不同角度的偏转，因此液晶空间光调制器可以对每一个像素点实现不同的相位调制。
当加载上灰度相位图时，空间光调制器将按灰度等级对液晶面板每一个像素点加载电压。沿着z轴加上电场时，液晶分子转向与所加电压V的关系为：
式中，V0为调制电压的额定电压，Vc为门槛电压。
随着分子取向的偏转，光沿着Z轴折射率ne也发生变化，且有：
这里，ne和no的值会随着加载电压不同发生对应变化。光延Z轴方向入射到空间光调制器上，反射光束将携带上信息。
所得到的场可以用琼斯矩阵表示为：
其中，E0(x,y)是输入场的振幅，是加载到空间光调制器图案的相位信息；
本发明实施例中，搭建了单发单收的VAM链路和VM链路，传输信道使用FSO信道，传输距离为180m，使用轨道角动量为l＝+16的涡旋光，同时还搭建了高斯光的单路FSO信道链路。将同一段信号用上面三种链路传输，在接收端接收信号，对比传输质量。在测试时，将信号在不同信号强度下分别进行了测试，得到了不同发射功率下接收端信号。
本发明实施例中，对数据进行分析后，得到了在VAM、VM、FSO链路中的误码率，并且VM链路与VAM链路在不同发射功率下，VM的误码率均比VAM低。数据结果如图3中图(c)和图(d)所示，误码率平均降低2～4个数量级，证明VM链路相比VAM在涡旋光通信当中可以很好的降低误码率。从图3中图(c)中测得信号的Q因子可以发现，在不同信号强度下，VM链路信号的Q因子均高于VAM链路。随着发射功率的增加，三种链路Q因子均逐渐增大。并且，功率越高Q因子相差越大。通过以上数据也能进一步证明，VM链路比VAM链路有更好的传输性能。换句话说，在保证一个接收误码率门限时，VM链路结构可以将信号传输更远的距离。
本发明实施例中，在通信链路中，通过频谱仪获得了单发单收的VM链路、VAM链路、FSO通信链路的频谱，如图4所示；三种信道均使用中心频率193.4THz的通信波段。VAM链路信号在距离中心10.08GHz的频率偏移下有37.85dB功率抑制。VM链路信号在距离中心10.00GHz的频率偏移下实现了38.68dB功率抑制。从频谱对比可以发现，VM链路在频带宽度和功率抑制都优于VAM链路。VM链路频谱效率为15.1BitS-1Hz-1。通过以上实数据可以证明，VM链路在通行速度和误码率上优于VAM。
本发明实施例中，在发射功率为9dB和11dB时给VM和VAM链路加载两个不同的信号，观测收到的信号波形图以及眼图，如图3中图(a)所示，a1～a3为9dB时的发射信号、VAM链路接收信号、VM链路接收信号波形图；a4为9dB时VAM通信方法接收信号眼图，a5为9dB时VM通信链路接收信号眼图；如图3中图(b)所示，b1～b3为11dB发射功率时的发射信号、VAM链路接收信号、VM链路接收信号波形图；b4为11dB时VAM通信方法接收信号眼图，b5为11dB时VM通信方法接收信号眼图；图中对比了VM和VAM链路所接收信号波形和眼图对比。同时还在保证三条链路信号发射功率相同情况下做了另一个实验。使接收端误码率保持一致，调节每条链路传输比特率，对比了各信道传输速度。从图中数据可得，在l＝+16轨道角动量时，VM单路传输速率为15.03GBit/s，单信道下VM比VAM传输速度高0.126GBit/s。相比之下VM链路有更高传输效率。
本发明还提出一种太比特轨道角动量通信链路复用系统；
本发明第二优选实施例中，包括多条如权所述的太比特轨道角动量通信链路，且各链路的发射端通过合束器进行各光束合束，各链路的接收端通过分束器对接收的光信号进行分束；
本发明实施例中，搭建了八路复用的系统，它是由4+4轨道角动量偏振复用构成。如图5所示，在这个系统当中，光首先通过空间光调制器被变成拓扑荷为l的涡旋光，之后通过光开关加载上信号；此时拓扑荷为l的轨道角动量光束将携带信号。利用八路不同的轨道角动量去同时携带信号。将每一路信号通过BS进行合束，并且两个轨道角动量光束组合成一束，经过两次汇合，4路轨道角动量光束最后变成一束复用光束，然后将他们利用PBS偏振复用在一起，在自由空间中进行传输。
本发明实施例中，如图5中图(a)所示为多路复用的信息传输模块。如图5中图(b)所示为偏振复用和解复用模块。如图5中图(c)所示为不同轨道角动量的分离、滤波和探测模块。对于多路复用，具有“甜甜圈”强度轮廓的轨道角动量光束是空间多路复用的。对于多路分解，其中一个轨道角动量光束在中心被转换为高强度的光束，可以通过“甜甜圈”形状与其他更新的轨道角动量光束分离。
本发明实施例中，在接收端，获得的是一束八路复用的光束，通过偏振解复用分解X和Y方向上的偏振信号。分离后的X方向包含4个轨道角动量复用(Y方向同理)，利用分束器将光一分为二。经过两次分束器之后，光将变成4束，且每一束均包含复用的4个拓扑荷l0、l1、l2、la；对第一束通过一个拓扑荷为-l0的相位板，这束光中的拓扑荷将被更新为0、(l1-l0)、(l2-l0)、(l3-l0)；原本轨道角动量为l0的涡旋光变成了普通高斯光。将更新后的光束经过透镜聚焦，拓扑荷为0的将变成高斯光会聚成一个点，而l不为零的涡旋光将聚焦成一个小圆环。在光路前放置了一个带有小孔的挡光板，聚焦成一点的光束通过，汇聚成小圆环的其他光束被挡住无法通过。带小孔的挡光板充当了滤波器，最后只有l＝l0的光通过。每一路都用同样的方法，混合的涡旋光被成功分开，最后得到八路每一路都只有单一轨道角动量的涡旋光。再将光输入到光电探测器将涡旋光所携带的信号转化为电信号。
本发明实施例中，图6中图(a)中a1～a4为模拟轨道角动量光场，a5为模拟轨道角动量复用光场图；图6中图(b)中b1～b4为不同轨道角动量涡旋光与高斯光场干涉图；图6中图(c)中c1～c4为实验中不同轨道角动量光场图，c5为实验中涡旋光轨道角动量复用后的光场。图6中图(d)至图(e)为VM和VAM调制方式在八路复用情况下误码率对比，误码率差值最大可达2个数量级。图6中图(f)为在单路，八路复用和16-QAM八路复用下传输速度差对比图。纵坐标代表VM信道与VAM信道传输速度差值。图6中图(g)为16-QAM信号复用通信接收端信号星座图；使用这种八路轨道角动量复用系统来执行正常的通信传输。在输入端输入信号，通过八路轨道角动量复用在FSO信道传输，并在接收端进行信号解析。图6中图(a)至图(c)中展示了在模拟和实验中不同轨道角动量涡旋光传输和复用光场图。在研究中发现，采用VM和VAM链路的8路复用传输信息时，VM链路的接收信误码率更低，差距可达2个数量级。VM链路每一个信道的传输速率可以达到15.03GBit/s。保持发射功率相同，接收端有相同信号质量和误码率情况下，每一条单个VM链路的传输速度相比VAM链路高0.121GBit/s。当输入16-QAM信号时，单链路下VM与VAM传输速度之间的差异可扩大到1.936GBit/s。VM链路在八路复用时可以达到1.21Tbit/s的传输速率，相比于VAM调制方式进行传输有15.5Gbit/s的速度优势。可以发现在八路信号复用系统中，VM链路有明显的速度优势，证明了这种结构确实可以提升通信速率。如果将这种链路结构应用到数量更多的轨道角动量复用系统，那么它的速度优势将进一步显现。
大量实验表明：在高效率的轨道角动量的传输中，先调制后编码和先编码后调制有不一样的信息传输效果。对先产生涡旋光后调制加载信息，及先将信息直接加载到高斯光束后通过空间光调制器变成涡旋相位再进行传输进行了比较。通过数据比较发现，单链路传输时，VM链路结构会优于VAM链路结构。用l＝16的涡旋光在VM、VAM和FSO三种信道下进行了传输对比，发现VM比VAM误码率平均低2～4个数量级，频谱效率为15.1BitS-1Hz-1。在八路偏振复用传输情况下，VM链路每一条信道的通信速度可以达到15.03GBit/s。当传输16-QAM信号时，每一条信道的通信速度可以达到150.9GBit/s。八路复用的总速度可以达到1.208TBit/s，频谱效率为123.7BitS-1Hz-1。
在发射端保持相同信号强度，调节每条链路传输比特率，使接收端误码率保持一致，对比了VM、VAM信道传输速度，VM相对VAM在不同链路和不同调制方式下均存在速度优势，单信道调制时最高能达到0.126GBit/s的速度优势，使用八路轨道角动量复用16-QAM调制时，最高能达到15.5GBit/s的速度优势。
综上，当进行涡旋光通信时，可以优先选用先调制涡旋光再调制信号的顺序。这种链路的优势体现在传输速度可以进一步提高，误码率可以更低。该方法简单，容易实现，并且可以在涡旋光高容量通信中提供广泛的应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种太比特轨道角动量通信链路，其特征在于，包括：发射端和接收端，发射端与接收端之间通过光路进行连接，其中，所述的发射端，包括：第一空间光调制器和光开关，第一空间光调制器通过光路连接光开关且设置于光开关的前端，以先将高斯光束转换为涡旋光后再调制上信号。
2.根据权利要求1所述的太比特轨道角动量通信链路，其特征在于，所述的接收端，包括：与第一空间光调制器加载相反相位的第二空间光调制器和检测器，其中，第二空间光调制器通过光路连接检测器以将光信号恢复成高斯光束并检测。
3.根据权利要求1所述的太比特轨道角动量通信链路，其特征在于，所述的发射端与接收端之间通过望远镜系统进行平行光路连接。
4.根据权利要求1所述的太比特轨道角动量通信链路，其特征在于，所述的发射端还包括激光生成装置，激光生成装置通过光路连接第一空间光调制器。
5.根据权利要求1所述的太比特轨道角动量通信链路，其特征在于，所述的光开关采用马赫曾德调制器。
6.一种太比特轨道角动量通信链路复用系统，其特征在于，包括多条如权利要求1至5任一项所述的太比特轨道角动量通信链路，且各链路的发射端通过合束器进行各光束合束，各链路的接收端通过分束器对接收的光信号进行分束。
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