CN111856766A - 抑制湍流效应的新型自聚焦涡旋光束产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制湍流效应的新型自聚焦涡旋光束产生方法。主要解决涡旋光束在湍流介质中传播时引起的光束扩展、波前相位畸变的问题。其方案是：1)根据信道环境，检测信道信噪比γ；2)将当前信道信噪比γ与门限值η作对比：若γ≥η，则执行3)，否则，执行4)；3)产生可持续性自聚焦的针形单涡旋光束；4)产生高功率、聚焦位置可调控的阵列型针形涡旋光束；5)使用空间滤波器对获得的涡旋光束加载滤波因子，滤除其光束中的混叠模态，得到系统需要的新型自聚焦涡旋光束。本发明从系统发射端考量，依据不同条件下的信道环境选择系统所需的新型自聚焦涡旋光束，提高了轨道角动量FSO通信系统的有效性和可靠性，可用于以湍流为媒介的通信系统中。

Description

抑制湍流效应的新型自聚焦涡旋光束产生方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种自聚焦涡旋光束产生方法，可用于以湍流为媒介的通信系统中发射端产生提升FSO通信性能的涡旋光束。

背景技术

近年来，随着信息化程度的不断加深，移动通信业务以及互联网技术的快速发展，大大增加了对通信有效性和可靠性的需求。目前通信领域里通常采用的复用方式有：时分、空分、频分以及码分复用。这些技术方式虽可缓解信道容量与用户需求之间的矛盾，但随着用户对信息带宽、数据速率需求的进一步发展，现急需一种可以进一步提高信道容量和频谱效率的新技术。轨道角动量OAM作为第五种新的复用维度，因其不同OAM模态之间具有正交性，可通过OAM波束多路复用携带信息而允许额外的自由度，有望大幅度提高频谱效率和信道容量，逐渐成为通信领域的一个研究热点。

基于OAM的涡旋光束常用于FSO通信系统中，其信道是一种复杂时变信道，信道中的悬浮气溶胶粒子和湍流介质会改变涡旋光束的传播特性，影响其波前螺旋结构，最终直接影响通信的稳定性和可靠性。如图1所示，对单光束而言，螺旋相位受到湍流介质的影响而发生畸变，会导致信号OAM功率弥散、信噪比降低、误码率增加，最终通信可靠性降低；对多光束而言，除了信号OAM功率降低之外，螺旋相位的畸变还将引入各OAM模态间的串扰，导致复用系统的总容量减小，严重影响通信系统性能。

为此，国内外学者都在积极寻找可以抑制湍流对涡旋光束轨道角动量传播影响的可靠方法，其可概括为发端调控和收端补偿这两种思路。Zhou M等人于2019年在“OpticsExpress”上发表的文章“Reducing the cross-talk among different orbital angularmomentum modes in turbulent atmosphere by using a focusing mirror”中提出并验证了在光通信链路的发端和收端可分别使用聚焦透镜缩小光束横截面，进而减小光束与湍流介质的接触面积，减少湍流引起的OAM模态串扰，提升信号接收概率。但用该方法改变聚焦位置时需移动机械，这极大地降低了光束聚焦的灵敏度和精度。自聚焦涡旋光束由于其本身的自加速特性，在焦点处无需光学透镜即可自聚焦，实现光功率的提升，减小空间上的波束扩展，有效提升FSO通信链路新能。目前这类光束主要分为两种：Airy涡旋光束和Pearcey涡旋光束。这两种光束虽能在一定程度上抑制湍流引起的波束扩展的影响，但即使在较好的信道环境下，如弱湍流介质中，当传输距离较长(>1km)时，其仍有较为严重的波束扩展和波前相位畸变现象。针对恶劣信道环境下，如强湍流介质中，发射端需要发出高功率的阵列涡旋光束才能满足系统需求。于2018年，Yan X等人在“Optics express”上发表的文章“Controlling abruptly autofocusing vortex beams to mitigate crosstalk andvortex splitting in free-space optical communication”中指出增加Airy阵列单元的个数能够明显增加聚焦光束光强，大幅度提升光束聚焦性能，进而有望提升基于轨道角动量的FSO通信性能；之后，Qian Y等人于2019年在文献“Annular arrayed-Airy beamscarrying vortex arrays”中提出了一种特殊结构的环形Airy涡旋光束阵列，可有效减小由大气湍流导致的光束分裂，从而提高OAM信号的接收概率。但这两种方法由于都没有考虑如何控制阵列光束的聚焦位置以及滤除混叠模态的问题，因而导致在确定一个传输距离时系统接收端会无法获得最佳接收信号，从而无法进一步提升系统的有效性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种抑制湍流效应的新型自聚焦涡旋光束产生方法，以实现无线光通信系统的长距离传输，并且在恶劣信道环境条件下能有效控制光束聚焦位置、滤除混叠模态，使系统接收端获得最佳接收信号，进一步提升系统的有效性和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

(1)根据信道环境，测出当前通信模式下收发端之间的信道信噪比γ；

(2)采用高斯光束作为初始光束，并将当前信道信噪比γ与设定的门限值η作对比：若γ≥η，则执行(3)；否则，执行(4)；

(3)通过使用准直扩束镜对初始光束进行扩束，形成高斯宽光束；设定对称自聚焦相位的工程相位掩膜，利用该掩膜消除高斯宽光束纵向平面上的径向波矢量，形成持续性自聚焦针形光束；再使用计算机全息图为该针形光束赋予目标拓扑荷数m，获得针形单涡旋光束；

(4)通过转换装置将初始光束转换为持续性自聚焦针形光束；利用分束器形成N个相同的持续性自聚焦针形光束并对其进行相干光束合成，形成高功率的阵列型针形光束；再使用电光相位调制器为该阵列型针形光束赋予目标拓扑荷数m，且通过调整其阵列单元横向位移参数

阵列单元横向初始速度

及阵列整体纵向速度v_y，获得聚焦位置可调控的阵列型针形涡旋光束。

(5)使用空间滤波器为获得的涡旋光束加载滤波因子，滤除其光束中的混叠模态，使光束能量更加集中于涡旋光束的主环上，抑制湍流效应的影响以提升系统的有效性和可靠性；

与现有技术相比，本发明的优点和积极效应为：

第一，本发明由于根据当前信道环境通过自适应调整方法选择系统需要的新型自聚焦涡旋光束，因而在实现长距离通信的同时避免了不必要的功率浪费，且能通过合理使用聚焦位置可调制的高功率阵列型自聚焦涡旋光束来满足恶劣通信环境下的通信需求。

第二，本发明由于产生的针形涡旋光束是一种可以持续性自聚焦的单涡旋光束，增强了轨道角动量的抗湍流扰动能力，并在传输过程中能保持光束形状不变，从而实现了无线光通信系统的长距离传输。

第三，本发明由于产生的阵列型针形涡旋光束是一种高功率、聚焦位置可调控的阵列型自聚焦涡旋光束，因而可通过调整阵列单元横向位移参数

阵列单元横向初始速度

及阵列整体纵向速度v_y的大小及方向，控制该阵列型针形涡旋光束的第一次聚焦点位于接收端位置处，使得系统在接收端能获得最佳的接收信号。

第四，本发明的空间滤波器由于在滤波过程中对光束相位没有影响，仅是有效滤除光束振幅的多余旁瓣，使其能量能更加集中于涡旋光束的主环上，从而可有效抑制涡旋光束因湍流效应而引起的波束展宽及模态混叠现象，进一步提升了基于轨道角动量的FSO通信系统的有效性和可靠性。

附图说明

图1是湍流对单个光束和多个光束的模态影响示意图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是本发明中产生针形单涡旋光束的原理图；

图4是仿真本发明产生的针形单涡旋光束在不同传输距离处的归一化强度分布图；

图5是本发明中产生阵列型针形涡旋光束的原理图；

图6是仿真本发明产生的阵列型针形涡旋光束在不同传输距离处的归一化强度分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细说明。

参照图2，本发明的实现流程步骤具体如下：

步骤一：根据信道环境，检测当前通信模式下收发端之间的信道信噪比γ。

1.1)湍流信道环境分类

在以湍流为传输媒介的无线光通信系统中，其信道环境通常被划分为三种情况：弱湍流、中等湍流、强湍流。在弱湍流条件下，涡旋光束并不会遭遇严重的波前相位畸变，但当其传输距离较长时，会有严重的波束展宽问题，从而使系统接收端无法接收到完整的传输信息。而在中到强湍流条件下，涡旋光束会因强湍流效应而加剧光束扩展、波前相位畸变的严重程度，从而引起信号轨道角动量功率弥散、模态混叠等问题；

1.2)检测当前通信模式下接收端与发射端之间的信噪比

根据现有检测信噪比的实施方法，在选定的湍流信道环境下，设定接收端、发射端的具体位置。由发射端向接收端发送光检测信号，在接收端收到所述检测信号后，解析当前通信模式下接收信号的有效接收功率P_S、有效噪声功率P_N，从而得出当前通信模式下的信道信噪比γ：

γ＝10lg(P_S/P_N)。

步骤二：根据当前信道信噪比γ的大小判断当前信道环境情况，以产生系统需要的新型自聚焦涡旋光束。

2.1)设定门限值η：

无线光通信系统建立通信链路时需要选择一种确定的发射光源，若想要基于当前信道环境选择适合的光源进行信息传输，就需要设定一个选择门限值来进行判断，例如：基于信噪比门限、容量门限或是中断概率门限等。在本发明中，由于提供了两种可供选择的光源，因此仅依照经验设定一个信噪比门限值η＝25dB，用以区分两种光源的适用场景；

2.2)将当前信道信噪比γ与设定的门限值η作对比：

若γ≥η，则判定当前信道环境较好，即在弱湍流条件下执行步骤三，以产生可持续性自聚焦的针形单涡旋光束；

若γ＜η，则判定当前信道环境较为恶劣，即在中到强湍流条件下执行步骤四，以产生具有高功率、聚焦位置可调控的阵列型针形涡旋光束。

步骤三：产生针形单涡旋光束。

参考图3，本步骤的具体实现如下：

3.1)形成高斯宽光束：

首先，选择高斯光束作为初始光束，并由激光器发出。然后，通过准直扩束镜将高斯光束转换为高斯宽光束，得到该高斯宽光束在源平面，即z＝0处的光场表达式为：

其中，ρ₀代表源平面的极坐标，w₀代表源平面的束宽；

3.2)形成持续性自聚焦针形光束：

3.2.1)设定对称自聚焦相位的工程相位掩膜，即在高斯宽光束的空域上加载多对对称的Airy自聚焦相位exp[iφ(ρ)]；

典型的Airy自聚焦相位表达式有以下两种：

其中，

为波数，λ为波长；β和p是与长度维度呈反比的参数，它们确定了波的相位振荡的局部频率；

3.2.2)利用该掩膜消除高斯宽光束纵向平面上的径向波矢量，形成具有持续自聚焦特性的针形光束；

由于有限大小的光束可视为由许多平面波分量组成，且其衍射或波形畸变是由传播期间这些波分量的“移相”引起的，因此，若要使光束形状在传播过程中不因衍射或环境湍流而改变，就需要使所有波矢量沿着同一个方向传播，消除纵向xOy平面上的径向波矢量。

本实例以典型Airy自聚焦相位φ₁(ρ)为例，则获得的持续性自聚焦针形光束在源场处的光场表达式E′为：

该持续性自聚焦针形光束随着传输距离的增长会不断的聚焦，可有效抑制其因湍流效应而引起的光束扩展，从而有效提升系统可靠性；

3.3)获得针形单涡旋光束：

为使该持续性自聚焦光束具有涡旋信息，需要进一步的在源平面处利用计算机相位全息图为光束加载螺旋相位，赋予其目标拓扑荷数m，获得针形单涡旋光束在源平面的光场表达式E″为：

其中，m是光学涡旋的目标拓扑荷数，m值为正时，涡度为顺时针，m值为负时，涡度为逆时针；

为与螺旋相位有关的旋转方位角；i为虚数单位；

3.4)滤除混叠模态：

采用空间滤波器为获得的涡旋光束赋予滤波因子，滤除其多余的混叠模态，使光强分布更加集中于光束的主环，抑制光束在传播过程中的模态串扰现象。

本实例针对针形单涡旋光束，选择三角滤波函数对其进行滤波，则滤波后的源平面光场表达式E″′为：

式中，b₁是一个分布因子，它可以调整Airy因子和三角因子之间的尺度，以更现实的方式描述了调整源平面光场的方法；w₁是与cosh函数有关的径向尺度；

3.5)对获得光束进行坐标转换：

将光束坐标转换为在三维直角坐标系中，则上述获得的针形单涡旋光束在源平面处的光场表达式E″′可被转换为如下形式：

其中，(x₀,y₀)为在源平面z＝0处的坐标点。

步骤四：产生阵列型针形涡旋光束。

参考图5，本步骤的具体实现如下：

4.1)生成高斯光束：

选定高斯光束作为初始光束，并由激光器发出。该高斯光束在源平面处的光场表达式为：

其中，ρ₀代表源平面的极坐标，w₀代表源平面的光束束宽；

4.2)生成持续性自聚焦针形光束：

通过转换装置在高斯光束的空域上加载多对对称的Airy相位因子，使其转换为可持续性自聚焦的针形光束，该针形光束在源平面处的光场表达式ψ′为：

其中，k为波数，β为Airy相位中与长度维度呈反比的参数，i为虚数单位。

本实例所述转换装置是通过采用准直扩束镜、工程相位掩膜共同实现光束的转换，该工程相位掩膜是基于光蚀刻掩模技术，可实现90％的转换效率且损伤阈值低；

4.3)获得阵列型针形涡旋光束：

通过分束器将上述获得的持续性自聚焦光束分为N个光源并进行相干光束合成，即依据按系统需求设定的阵列光束排列结构，将N个相同的持续性自聚焦针形光束排列成设定的形状，本实例采用圆形结构。在此过程中，可通过调整排列单元的数量控制阵列型针形光束的光强，排列单元数量越大，阵列型针形光束的光强越强。

然后利用电光相位调制器对N个光源分别进行相位调整，为阵列光束赋予目标拓扑荷数m，获得在源平面处的第j个光源的光场表达式ψ_j′(x₀,y₀,z＝0)为：

其中，(x₀,y₀)为在源平面处的坐标点，b₂为高斯滤波函数的分布因子，N为阵列光单元数目，j＝1,2,3…,N为光束下标，

是阵列光束的半径；

4.4)滤除混叠模态：

采用空间滤波器为获得的阵列型涡旋光束赋予滤波因子，抑制光束在传播过程中的模态混叠现象。

本实例针对阵列型针形涡旋光束，选择高斯函数对其进行滤波，获得经滤波后在源平面处的第j个光源的光场表达式ψ_j(x₀,y₀,z＝0)为：

式中，b₂是与高斯函数有关的分布因子，|b₂|的值越大，在传播过程中光束振荡的最大强度就越小，即会聚在主瓣上的能量越强。

根据上述分析，获得阵列型针形涡旋光束在源平面处的总光场表达式ψ(x₀,y₀,z＝0)为：

至此，完成了发明新型自聚焦涡旋光束的产生。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

1.仿真方式：

采用波光仿真的方式对本发明提出的两种光束在不同传输距离处的归一化光强分布进行分析。

2.仿真内容：

仿真1：仿真针形单涡旋光束在不同传输距离处的归一化光强分布：

根据上述获得的针形单涡旋光束在源平面处的光场表达式：

设定仿真参数取值为：b₁＝0.2，w₀＝w₁＝0.0025m，m＝3，β＝1×10^-8，λ＝6.328×10^-7m；根据这些仿真数值，可以分别得到针形单涡旋光束在不同传输距离处的归一化光强分布，结果如图4所示。

从图4可以看出，当光束传输距离达到1km时，其归一化强度分布仍然很清晰，且大部分能量仍然集中在主环上，表明采用针形单涡选光束作为发射光源可有效实现长距离传输。

仿真2：仿真阵列型针形涡旋光束在不同传输距离处的归一化光强分布：

首先，应用惠更斯菲涅尔积分求得传播一段距离后的第j个光源的光场表达式ψ_j(x,y,z)：

exp[ψ(x₀,y₀,x,y,z)]dx₀dy₀

其中，(x,y)是输出平面的坐标，ψ(x₀,y₀,x,y,z)是表示Rytov理论中由于湍流引起的从输入平面传播到输出平面的球面波复相随机因子。因此，阵列型针形涡旋光束在输出平面中的总光场表达式ψ(x,y,z)为：

然后，设定仿真参数取值为：b₂＝0.5，N＝16，m＝2，λ＝6.328×10^-7m，w₀＝0.0025m，β＝1×10^-8，

接着，利用上述给定的仿真参数，在仿真过程中，通过设定并调整已经给定释义的传输仿真参数：阵列单元横向位移

阵列单元横向初始速度

及阵列整体纵向速度v_y的大小及方向，控制该涡旋光束的第一次聚焦点位于接收端位置处，使得系统在接收端能得到最佳的接收信号，以获得在不同传输距离处的阵列型涡旋光束的归一化强度分布，结果如图6所示。

从图6中可以看出，当其传输距离达到设定的聚焦位置(z＝1500m)处时，其光强分布集中，并未存在严重的光束扩展、模态混叠现象，表明采用阵列型针形涡旋光束大大提升了光束的传输距离。同理可推测，当在恶劣通信环境条件下，对传输距离不作约束时，可将该高功率的阵列型涡旋光束应用为发射光源，以保证接收端能收到最佳接收信号，进一步提升系统的有效性以及可靠性。

以上所述仅为本申请的优选实例而已，并不限制于本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抑制湍流效应的新型自聚焦涡旋光束产生方法，其特征在于，包括如下：

(1)根据信道环境，测出当前通信模式下收发端之间的信道信噪比γ；

(2)采用高斯光束作为初始光束，并将当前信道信噪比γ与设定的门限值η作对比：若γ≥η，则执行(3)；否则，执行(4)；

(3)通过使用准直扩束镜对初始光束进行扩束，形成高斯宽光束；设定对称自聚焦相位的工程相位掩膜，利用该掩膜消除高斯宽光束纵向平面上的径向波矢量，形成持续性自聚焦针形光束；再使用计算机全息图为该针形光束赋予目标拓扑荷数m，获得针形单涡旋光束；

(4)通过转换装置将初始光束转换为持续性自聚焦针形光束；利用分束器形成N个相同的持续性自聚焦针形光束并对其进行相干光束合成，形成高功率的阵列型针形光束；再使用电光相位调制器为该阵列型针形光束赋予目标拓扑荷数m，且通过调整其阵列单元横向位移参数

阵列单元横向初始速度

及阵列整体纵向速度v_y，获得聚焦位置可调控的阵列型针形涡旋光束。

(5)使用空间滤波器为获得的涡旋光束加载滤波因子，滤除其光束中的混叠模态，使光束能量更加集中于涡旋光束的主环上，抑制湍流效应的影响以提升系统的有效性和可靠性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3)中设定对称自聚焦相位的工程相位掩膜，是在高斯宽光束的空域上加载多对对称的Airy相位因子exp[iφ(ρ)]，使被调制过的各个光波矢量沿着z轴以弯曲抛物线轨迹向光束中心传播，以消除其对应的纵向xOy平面的径向波矢量，其中，i为虚数单位，φ(ρ)为Airy相位项。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3)中使用计算机全息图为持续性自聚焦针形光束赋予目标拓扑荷数m，是通过计算机全息图加载螺旋相位谱为该光束赋予相位项

实现，该相位项中的m即为光学涡旋的目标拓扑荷数，m值为正时，涡度为顺时针，m值为负时，涡度为逆时针；

为与螺旋相位有关的旋转方位角；i为虚数单位。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)中对N个相同的持续性自聚焦针形光束进行相干光束合成，是依据按系统需求设定的阵列光束排列结构，将N个相同的持续性自聚焦针形光束排列成设定的形状，并通过调整排列单元的数量控制阵列型针形光束的光强，排列单元数量越大，阵列型针形光束的光强越强。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)中使用电光相位调制器为阵列型针形光束赋予目标拓扑荷数m，是通过使用电光相位调制器EOPM对N个光束分别赋予相位项

实现，其中i为虚数单位；j＝1,2,3…,N代表光束下标；

是光束在源平面处的初始相位。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)中调整阵列单元横向位移参数

阵列单元横向初始速度

及阵列整体纵向速度v_y，是依据这些参数的如下给定释义对它们的大小及方向进行按需调整：

对阵列单元横向位移参数

定义指向光束中心的方向为负方向，当其位移参数为负方向时，阵列单元横向位移参数值

越大，其光束聚焦位置距发射端的距离越长；

对阵列单元横向初始速度

定义指向光束中心的方向为负方向，当其初始速度为正方向时，各个阵列单元横向初始速度

越大，其光束聚焦位置距发射端的距离越长；

对阵列整体纵向速度v_y，定义其方向为z轴正方向，阵列整体纵向速度值|v_y|越大，其光束聚焦位置距发射端的距离越长。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(5)中空间滤波器采用三角滤波函数为针形单涡旋光束加载三角滤波因子F₁(x,y)或采用高斯滤波函数为阵列型针形涡旋光束加载高斯滤波因子F₂(x,y)，分别表示如下：

其中w为束宽；b₁为与三角滤波函数相关的分布因子；b₂为与高斯滤波函数相关的分布因子；(x,y)为三维坐标系中xOy平面的坐标。

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