CN111953421A - 一种用于扩大通信容量的结构光复用通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于扩大通信容量的结构光复用通信系统。该系统的信号发送端中激光器、波分复用模块、IQ调制器、偏分复用模块、第一光放大器、结构光复用模块依次顺序放置；信号接收端中结构光解复用模块、第二光放大器、波分解复用模块、偏分解复用模块、数字信号处理模块依次顺序放置。结构光复用模块包括起偏器、四分之一波片、超表面和半波片，结构光解复用模块包括半波片、第一透镜、第二透镜和超表面。本发明结合波分复用、偏分复用以及结构光复用，实现OAM模式复用和矢量模式复用的大容量结构光多维融合复用通信，大大的提升原有的通信系统容量，并且实现OAM和矢量模式在该系统中相互兼容。

Description

一种用于扩大通信容量的结构光复用通信系统

技术领域

本发明涉及光通信领域，更具体地说，涉及一种用于扩大通信容量的结构光复用通信系统。

背景技术

随着通信容量逐渐达到瓶颈，原有的复用维度已经不能满足人们对于通信容量的需求，需要寻找新的复用维度去进一步扩充通信系统的容量。结构光作为一种具有特殊的空间幅度、相位及偏振分布的结构化光束，由于其独特的光场分布及光学特性，可以作为一个新的复用维度在通信领域中用于扩大通信容量。结构光束包括了具有轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)的涡旋光束和具有横截面偏振分布不均匀的柱矢量光束。同时，由于不同OAM模式和矢量模式之间是相互正交的，结构光作为一种新的自由维度引入到光通信之中，与相位、幅度、频率、波长等维度一起作为信息的调制和复用方式，可以极大地提高通信系统的容量，满足大众对通信系统速率的需求。总而言之，结构光复用在自由空间光通信中有很好的应用前景。

目前，研究者在通信系统中融合波分复用、偏分复用以及OAM模式复用已经将通信容量提升到Pbit/s的高速通信层面。除此之外，利用单模光纤传输结构光的通信实验也能将结构光进行远距离传输，但是目前研究专注的是结构光束中的其中一种类型的光束在通信系统中的应用，对于不同类型结构光束在同一通信系统中的复用研究尚未报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于扩大通信容量的结构光复用通信系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于扩大通信容量的结构光复用通信系统，包括用于发送光信号的信号发送端和用于接收光信号的信号接收端，所述信号发送端和所述信号接收端之间使用光纤连通；

所述信号发送端包括激光器、波分复用模块、IQ调制器、偏分复用模块、第一光放大器、结构光复用模块，所述激光器、波分复用模块、IQ调制器、偏分复用模块、第一光放大器、结构光复用模块依次顺序放置；所述激光器用于发射不同波长的光束；所述波分复用模块用于将光束进行复用；所述IQ调制器用于将所要传输的信号调制到光束上；所述偏分复用模块用于将调制光束分为两束正交的光，再进行偏振复用后合成一束光；所述第一光放大器用于放大光束；

所述信号接收端包括结构光解复用模块、第二光放大器、波分解复用模块、偏分解复用模块、数字信号处理模块，所述结构光解复用模块、第二光放大器、波分解复用模块、偏分解复用模块、数字信号处理模块依次顺序放置；所述第二光放大器用于放大光束；所述波分解复用模块用于波长分离；所述偏分解复用模块用于偏振分离；所述数字信号处理模块用于信号处理；

所述结构光复用模块包括第一复用光路、第二复用光路、第三复用光路、第四复用光路和复用单元，所述第一复用光路包括起偏器、四分之一波片、超表面和半波片，所述起偏器、四分之一波片、超表面和半波片依次顺序放置在同一光轴上；所述第二复用光路包括起偏器、四分之一波片和超表面，所述起偏器、四分之一波片和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述第三复用光路包括起偏器、四分之一波片、超表面和半波片，所述起偏器、四分之一波片、超表面和半波片依次顺序放置在同一光轴上；所述第四复用光路包括起偏器、四分之一波片和超表面，所述起偏器、四分之一波片和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述起偏器用于将激光器射出来的高斯光转为线偏振光，所述四分之一波片用于将线偏振光转换为圆偏振光或线偏振光；所述结构光复用模块的超表面用于将圆偏振光或线偏振光转换为OAM模式光束或矢量模式光束；所述复用单元用于将四路不同模式的结构光束合成一束进行传输；

所述结构光解复用模块包括第一解复用光路、第二解复用光路、第三解复用光路、第四解复用光路和解复用单元，所述第一解复用光路包括半波片、第一透镜、第二透镜和超表面，所述半波片、第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述第二解复用模块包括第一透镜、第二透镜和超表面，所述第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述第三解复用光路包括半波片、第一透镜、第二透镜和超表面，所述半波片、第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述第四解复用模块包括第一透镜、第二透镜和超表面，所述第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述解复用单元用于将接收到的复用光束分为四路结构光束，分别传输至所述第一解复用光路、第二解复用光路、第三解复用光路、第四解复用光路；所述第一解复用光路、第二解复用光路、第三解复用光路、第四解复用光路中的第一透镜和第二透镜用于汇聚光束；所述结构光解复用模块的超表面用于还原结构光束。

进一步，在本发明所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中，所述复用单元包括反射镜和分束镜；

所述解复用单元包括反射镜和分束镜。

进一步，在本发明所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中，通过调整所述结构光复用模块中超表面的结构周期数q调整产生结构光束的阶数。

进一步，在本发明所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中，所述第一复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，所述第二复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，所述第三复用光路的超表面的结构周期数q为2，所述第四复用光路的超表面的结构周期数q为2；

所述第一解复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，所述第二解复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，所述第三解复用光路的超表面的结构周期数q为2，所述第四解复用光路的超表面的结构周期数q为2。

进一步，在本发明所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中，通过调整所述结构光复用模块中起偏器和四分之一波片的快轴方向控制所产生结构光束的阶数的正负值。

进一步，在本发明所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中，所述结构光复用模块中四分之一波片的入射光为线偏振光，若所述结构光复用模块中四分之一波片与起偏器的快轴方向成45°或-45°时，出射光为圆偏振光；若所述结构光复用模块中四分之一波片与起偏器的快轴方向平行时，出射光为线偏振光。

进一步，在本发明所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中，所述结构光复用模块中结构光束的产生过程包括：

入射的线偏振光使用琼斯矩阵表示为：

其中a为任意一个正整数；当线偏振光通过45°方位角的四分之一波片后：

其中i是虚数；通过45°方位角的四分之一波片后生成右旋圆偏振光，再将右旋圆偏振光入射进超表面，超表面的矩阵表达式为：

其中δ为波片的相位延迟，q值为超表面中结构的周期数，θ为方位角；通过超表面产生的OAM模式光束这个过程的琼斯矩阵为：

通过超表面后生成的光束是阶数为-2q的左旋涡旋光，其中相位因子exp(-2iq)中的q值与超表面的q值一致；若四分之一波片的方位角为-45°，则生成的OAM模式光束为：

通过超表面后生成的光束是阶数为2iq的右旋涡旋光；

已知矢量模式光束的矩阵表达式为：

其中θ₀为初相位，当入射进超表面的光为快轴方向为X轴的线偏振光时，生成的光束的过程用琼斯矩阵可以表示为：

当入射进超表面的光为快轴方向为Y轴的线偏振光时，生成的光束的过程用琼斯矩阵可以表示为：

上述公式说明同一个超表面既可以产生OAM模式光束又可以产生矢量模式光束。

实施本发明的一种用于扩大通信容量的结构光复用通信系统，具有以下有益效果：本发明结合波分复用、偏分复用以及结构光复用，实现OAM模式复用和矢量模式复用的大容量结构光多维融合复用通信，大大的提升原有的通信系统容量，并且实现OAM和矢量模式在该系统中相互兼容。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是一实施例中一种用于扩大通信容量的结构光复用通信系统的结构示意图；

图2是一实施例中结构光复用模块和结构光解复用模块的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参考图1和图2，对本实施例进行说明。本实施例的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统包括用于发送光信号的信号发送端和用于接收光信号的信号接收端，信号发送端和信号接收端之间使用光纤连通。

信号发送端包括激光器、波分复用模块、IQ调制器、偏分复用模块、第一光放大器、结构光复用模块，激光器、波分复用模块、IQ调制器、偏分复用模块、第一光放大器、结构光复用模块依次顺序放置；激光器用于发射不同波长的光束；波分复用模块用于将光束进行复用；IQ调制器用于将所要传输的信号调制到光束上；偏分复用模块用于将调制光束分为两束正交的光，再进行偏振复用后合成一束光；第一光放大器用于放大光束。

信号接收端包括结构光解复用模块、第二光放大器、波分解复用模块、偏分解复用模块、数字信号处理模块，结构光解复用模块、第二光放大器、波分解复用模块、偏分解复用模块、数字信号处理模块依次顺序放置；第二光放大器用于放大光束；波分解复用模块用于波长分离；偏分解复用模块用于偏振分离；数字信号处理模块用于信号处理。

结构光复用模块包括第一复用光路、第二复用光路、第三复用光路、第四复用光路和复用单元，第一复用光路包括起偏器、四分之一波片、超表面和半波片，起偏器、四分之一波片、超表面和半波片依次顺序放置在同一光轴上；第二复用光路包括起偏器、四分之一波片和超表面，起偏器、四分之一波片和超表面依次顺序放置在同一光轴上；第三复用光路包括起偏器、四分之一波片、超表面和半波片，起偏器、四分之一波片、超表面和半波片依次顺序放置在同一光轴上；第四复用光路包括起偏器、四分之一波片和超表面，起偏器、四分之一波片和超表面依次顺序放置在同一光轴上。第一复用光路、第二复用光路、第三复用光路、第四复用光路中光轴是呈空间非均匀分布的。

结构光复用模块中的起偏器用于将激光器射出来的高斯光转为线偏振光。

结构光复用模块中的四分之一波片用于将线偏振光转换为圆偏振光或线偏振光。结构光复用模块中四分之一波片的入射光为线偏振光，用于将输入的线偏振光根据需求转变为快轴方向。若结构光复用模块中四分之一波片与起偏器的快轴方向成45°或-45°时，出射光为圆偏振光；若结构光复用模块中四分之一波片与起偏器的快轴方向平行时，出射光为线偏振光。

结构光复用模块中的超表面是用于将前面生成的圆偏振光变换为带有轨道角动量的涡旋光束，或是将前面生成的线偏振光变换为光束横截面偏振分布不均匀的矢量模式光束。

结构光复用模块的超表面用于将圆偏振光或线偏振光转换为OAM模式光束或矢量模式光束。

复用单元用于将四路不同模式的结构光束合成一束进行传输。复用单元包括反射镜和分束镜；解复用单元包括反射镜和分束镜。可以理解，复用单元和解复用单元中的反射镜为各自所有，分束镜为各自所有。

结构光解复用模块包括第一解复用光路、第二解复用光路、第三解复用光路、第四解复用光路和解复用单元，第一解复用光路包括半波片、第一透镜、第二透镜和超表面，半波片、第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；第二解复用模块包括第一透镜、第二透镜和超表面，第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；第三解复用光路包括半波片、第一透镜、第二透镜和超表面，半波片、第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；第四解复用模块包括第一透镜、第二透镜和超表面，第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上。解复用单元用于将接收到的复用光束分为四路结构光束，分别传输至第一解复用光路、第二解复用光路、第三解复用光路、第四解复用光路；第一解复用光路、第二解复用光路、第三解复用光路、第四解复用光路中的第一透镜和第二透镜组成双焦系统，用于汇聚光束；结构光解复用模块的超表面用于还原结构光束。

结构光解复用模块中超表面为电介质型偏振变换元件，且其工作区域只在元件中心有光栅纳米处的区域，在放置光路时需将该区域放在光轴中心处，使生成的结构光束的光强分布均匀，超表面可以将圆偏振光转换为带有轨道角动量的涡旋光束，或是将线偏振光变换为光束横截面偏振分布不均匀的矢量模式光束。其中，OAM模式信道以及矢量模式信道分别为携带了数字信号的OAM模式以及矢量模式，OAM模式携带于涡旋光上，矢量模式携带于矢量光上。

本实施例的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中通过调整结构光复用模块中超表面的结构周期数q调整产生结构光束的阶数。

本实施例的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中第一复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，第二复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，第三复用光路的超表面的结构周期数q为2，第四复用光路的超表面的结构周期数q为2。与第一复用光路、第二复用光路、第三复用光路和第四复用光路的超表面的结构周期数q对应的，所生成的结构光束的阶数为l＝+1，-1，+4，-4。第一解复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，第二解复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，第三解复用光路的超表面的结构周期数q为2，第四解复用光路的超表面的结构周期数q为2。

本实施例的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中通过调整结构光复用模块中起偏器和四分之一波片的快轴方向控制所产生结构光束的阶数的正负值。若要在后端获取OAM模式光束，则将生成的线偏振光入射进四分之一波片，产生圆偏振光，并且调整四分之一波片的快轴方向，使四条光路分别生成两路左旋圆偏振光和两路右旋圆偏振光；若要在后端获取矢量模式光束，则调整起偏器的快轴方向，并将四分之一波片的快轴方向调至与起偏器快轴方向一致，分别生成两路快轴方向为X轴的线偏振光和两路快轴方向为Y轴的线偏振光。

本实施例的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统中结构光复用模块中结构光束的产生过程包括：

入射的线偏振光使用琼斯矩阵表示为：

其中a为任意一个正整数；当线偏振光通过45°方位角的四分之一波片后：

其中i是虚数；通过45°方位角的四分之一波片后生成右旋圆偏振光，再将右旋圆偏振光入射进超表面，超表面的矩阵表达式为：

其中δ为波片的相位延迟，q值为超表面中结构的周期数，θ为方位角；通过超表面产生的OAM模式光束这个过程的琼斯矩阵为：

通过超表面后生成的光束是阶数为-2q的左旋涡旋光，其中相位因子exp(-2iq)中的q值与超表面的q值一致；若四分之一波片的方位角为-45°，则生成的OAM模式光束为：

通过超表面后生成的光束是阶数为2iq的右旋涡旋光；

已知矢量模式光束的矩阵表达式为：

其中θ₀为初相位，当入射进超表面的光为快轴方向为X轴的线偏振光时，生成的光束的过程用琼斯矩阵可以表示为：

当入射进超表面的光为快轴方向为Y轴的线偏振光时，生成的光束的过程用琼斯矩阵可以表示为：

由上面两个从超表面出射后的光束的琼斯矩阵的第二部分可以看出，第二部分的表达形式跟前面的矢量模式光束的琼斯矩阵是一致的，且观察OAM模式公式的第二部分和矢量模式公式的第二部分可以看出，矢量模式可以由两个共轭的OAM模式表示出来。所以同一个超表面既可以产生OAM模式光束又可以产生矢量模式光束。

本实施例结合波分复用、偏分复用以及结构光复用，实现OAM模式复用和矢量模式复用的大容量结构光多维融合复用通信，大大的提升原有的通信系统容量，并且实现OAM和矢量模式在该系统中相互兼容。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种用于扩大通信容量的结构光复用通信系统，其特征在于，包括用于发送光信号的信号发送端和用于接收光信号的信号接收端，所述信号发送端和所述信号接收端之间使用光纤连通；

所述信号发送端包括激光器、波分复用模块、IQ调制器、偏分复用模块、第一光放大器、结构光复用模块，所述激光器、波分复用模块、IQ调制器、偏分复用模块、第一光放大器、结构光复用模块依次顺序放置；所述激光器用于发射不同波长的光束；所述波分复用模块用于将光束进行复用；所述IQ调制器用于将所要传输的信号调制到光束上；所述偏分复用模块用于将调制光束分为两束正交的光，再进行偏振复用后合成一束光；所述第一光放大器用于放大光束；

所述信号接收端包括结构光解复用模块、第二光放大器、波分解复用模块、偏分解复用模块、数字信号处理模块，所述结构光解复用模块、第二光放大器、波分解复用模块、偏分解复用模块、数字信号处理模块依次顺序放置；所述第二光放大器用于放大光束；所述波分解复用模块用于波长分离；所述偏分解复用模块用于偏振分离；所述数字信号处理模块用于信号处理；

所述结构光复用模块包括第一复用光路、第二复用光路、第三复用光路、第四复用光路和复用单元，所述第一复用光路包括起偏器、四分之一波片、超表面和半波片，所述起偏器、四分之一波片、超表面和半波片依次顺序放置在同一光轴上；所述第二复用光路包括起偏器、四分之一波片和超表面，所述起偏器、四分之一波片和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述第三复用光路包括起偏器、四分之一波片、超表面和半波片，所述起偏器、四分之一波片、超表面和半波片依次顺序放置在同一光轴上；所述第四复用光路包括起偏器、四分之一波片和超表面，所述起偏器、四分之一波片和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述结构光复用模块的起偏器用于将激光器射出来的高斯光转为线偏振光，所述结构光复用模块的四分之一波片用于将线偏振光转换为圆偏振光或线偏振光；所述结构光复用模块的超表面用于将圆偏振光或线偏振光转换为OAM模式光束或矢量模式光束；所述复用单元用于将四路不同模式的结构光束合成一束进行传输；

所述结构光解复用模块包括第一解复用光路、第二解复用光路、第三解复用光路、第四解复用光路和解复用单元，所述第一解复用光路包括半波片、第一透镜、第二透镜和超表面，所述半波片、第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述第二解复用模块包括第一透镜、第二透镜和超表面，所述第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述第三解复用光路包括半波片、第一透镜、第二透镜和超表面，所述半波片、第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述第四解复用模块包括第一透镜、第二透镜和超表面，所述第一透镜、第二透镜和超表面依次顺序放置在同一光轴上；所述解复用单元用于将接收到的复用光束分为四路结构光束，分别传输至所述第一解复用光路、第二解复用光路、第三解复用光路、第四解复用光路；所述第一解复用光路、第二解复用光路、第三解复用光路、第四解复用光路中的第一透镜和第二透镜用于汇聚光束；所述结构光解复用模块的超表面用于还原结构光束。

2.根据权利要求1所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统，其特征在于，所述复用单元包括反射镜和分束镜；

所述解复用单元包括反射镜和分束镜。

3.根据权利要求1所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统，其特征在于，通过调整所述结构光复用模块中超表面的结构周期数q调整产生结构光束的阶数。

4.根据权利要求1所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统，其特征在于，所述第一复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，所述第二复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，所述第三复用光路的超表面的结构周期数q为2，所述第四复用光路的超表面的结构周期数q为2；

所述第一解复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，所述第二解复用光路的超表面的结构周期数q为0.5，所述第三解复用光路的超表面的结构周期数q为2，所述第四解复用光路的超表面的结构周期数q为2。

5.根据权利要求1所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统，其特征在于，通过调整所述结构光复用模块中起偏器和四分之一波片的快轴方向控制所产生结构光束的阶数的正负值。

6.根据权利要求1所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统，其特征在于，所述结构光复用模块中四分之一波片的入射光为线偏振光，若所述结构光复用模块中四分之一波片与起偏器的快轴方向成45°或-45°时，出射光为圆偏振光；若所述结构光复用模块中四分之一波片与起偏器的快轴方向平行时，出射光为线偏振光。

7.根据权利要求1所述的用于扩大通信容量的结构光复用通信系统，其特征在于，所述结构光复用模块中结构光束的产生过程包括：

入射的线偏振光使用琼斯矩阵表示为：

其中a为任意一个正整数；当线偏振光通过45°方位角的四分之一波片后：

其中i是虚数；通过45°方位角的四分之一波片后生成右旋圆偏振光，再将右旋圆偏振光入射进超表面，超表面的矩阵表达式为：

其中δ为波片的相位延迟，q值为超表面中结构的周期数，θ为方位角；通过超表面产生的OAM模式光束这个过程的琼斯矩阵为：

通过超表面后生成的光束是阶数为-2q的左旋涡旋光，其中相位因子exp(-2iq)中的q值与超表面的q值一致；若四分之一波片的方位角为-45°，则生成的OAM模式光束为：

通过超表面后生成的光束是阶数为2iq的右旋涡旋光；

已知矢量模式光束的矩阵表达式为：

其中θ₀为初相位，当入射进超表面的光为快轴方向为X轴的线偏振光时，生成的光束的过程用琼斯矩阵可以表示为：

当入射进超表面的光为快轴方向为Y轴的线偏振光时，生成的光束的过程用琼斯矩阵可以表示为：

上述公式说明同一个超表面既可以产生OAM模式光束又可以产生矢量模式光束。

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