CN112147789A - 一种基于坐标变换的oam解复用装置及方法 - Google Patents

一种基于坐标变换的oam解复用装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于坐标变换的OAM解复用装置及方法，所述装置包括：第一相位掩模板，用于对输入的多路携带信息的OAM光束进行光束复制，增加OAM光束的相位梯度后完成笛卡尔‑对数极坐标的变换，将带有螺旋相位梯度的同心圆状的OAM光束转换为带有横向相位梯度的矩形状光束，对矩形状光束进行傅里叶变换并在频谱面上成像；第二相位掩模板，用于对因坐标变换带来的光束相位变换进行补偿，同时将不同横向相位梯度的矩形状光束聚焦成横向位置不同的狭长状光束；柱透镜，用于将狭长状光束压缩成高斯状光束。本发明实现了对多路携带信息的OAM光束的解复用，实现了全光信息处理，且所用的器件都为无源器件，能有效减少系统的功率损耗。

Description

一种基于坐标变换的OAM解复用装置及方法
技术领域
本发明涉及光学及光通信技术领域，尤其涉及的是一种基于坐标变换的OAM解复用装置及方法。
背景技术
轨道角动量(OAM，Orbital Angular Momentum)是经典力学和量子力学的基本物理量，OAM光束是一组拥有螺旋相位exp(ilφ)的正交模式集，φ为方位角，l是一个表示拓扑荷数的整数。l的数值在理论上可以达到无限大，这将在振幅、偏振、频率等传统通信自由度的基础上为光通信提供一种具有无限大容量的自由度，将他们作用在一起作为信息的调制和复用的方式，会突破现有的通信容量极限，大大提高信息的传输速率，并且有很好的通信保密性。单个光子的OAM态大容量特性和不同OAM态间的正交特性，使得基于OAM态复用的通信系统迅速发展，众多相关的理论和实验都表明基于OAM态的复用系统可以实现大容量、高速通信。
实现OAM通信的一个重要前提是能够实现对多路OAM态的检测,然而，已有的OAM态复用的系统中，对n(n≥1)路OAM态的检测，都需要n(n≥1)个独立的检测装置，这大大增加了系统的成本，并使系统变得繁杂，现有的检测方法也因其复杂性没有得到广泛应用。
因此，针对上述缺陷，现有技术还有待于改进和发展。
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，提供一种基于坐标变换的OAM解复用的装置及方法，旨在利用坐标变换与透镜的聚焦功能，完成OAM光束分离，从而实现OAM解复用。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于坐标变换的OAM解复用装置，其中，所述基于坐标变换的OAM解复用装置包括：
第一相位掩模板，用于对输入的多路携带信息的OAM光束进行光束复制，增加所述OAM光束的相位梯度后完成笛卡尔-对数极坐标的变换，将带有螺旋相位梯度的同心圆状的OAM光束转换为带有横向相位梯度的矩形状光束，对所述矩形状光束进行傅里叶变换，并在频谱面上成像；
第二相位掩模板，用于对因坐标变换带来的光束相位变换进行补偿，同时将不同横向相位梯度的矩形状光束聚焦成横向位置不同的狭长状光束；
柱透镜，用于将所述狭长状光束压缩成高斯状光束。
所述基于坐标变换的OAM解复用装置，其中，所述第二相位掩模板设置在所述第一相位掩模板后方，所述柱透镜设置在所述第二相位掩模板后方；
所述第一相位掩模板、所述第二相位掩模板以及所述柱透镜依次设置在同一光轴上。
所述基于坐标变换的OAM解复用装置，其中，所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板为相位型液晶空间光调制器件。
所述基于坐标变换的OAM解复用装置，其中，所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板集成了透镜的功能。
所述基于坐标变换的OAM解复用装置，其中，所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板的结构相同。
为了实现上述目的，本发明还提供一种基于所述的基于坐标变换的OAM解复用装置的基于坐标变换的OAM解复用方法，其中，所述基于坐标变换的OAM解复用方法包括以下步骤：
通过所述第一相位掩模板对输入的多路携带信息的OAM光束进行光束复制，增加所述OAM光束的相位梯度后完成笛卡尔-对数极坐标的变换，将带有螺旋相位梯度的同心圆状的OAM光束转换为带有横向相位梯度的矩形状光束，对所述矩形状光束进行傅里叶变换，并在频谱面上成像；
通过所述第二相位掩模板对因坐标变换带来的光束相位变换进行补偿，同时将不同横向相位梯度的矩形状光束聚焦成横向位置不同的狭长状光束；
通过所述柱透镜将所述狭长状光束压缩成高斯状光束。
所述的基于坐标变换的OAM解复用方法，其中，同心圆状的OAM光束在所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板之间逐渐演化成一矩形状光束。
所述的基于坐标变换的OAM解复用方法，其中，所述OAM光束为携带数字信号的涡旋光。
所述的基于坐标变换的OAM解复用方法，其中，所述第二相位掩模板放置在沿光轴方向离所述第一相位掩模板距离为f的位置上，所述柱透镜的焦距为fcl，所述的柱透镜放置在沿光轴方向离所述第二相位掩模板距离为f减去fcl的差的位置上。
所述的基于坐标变换的OAM解复用方法，其中，带有不同横向相位梯度的矩形状光束在所述第二相位掩模板和所述的柱透镜之间演化成横向位置不同的狭长状光束，所述狭长状光束再演化成横向位置不同的高斯状光束。
有益效果：本发明先通过第一相位掩模板将输入的多路携带信息的OAM光束进行光束复制，增加其相位梯度，之后完成笛卡尔-对数极坐标的变换，使带有螺旋相位梯度的同心圆状OAM光束转换为带有横向相位梯度的矩形状光束，最后对其做傅里叶变换，在第一个相位掩模板的频谱面上成像，之后通过第二相位掩膜板对因坐标变换带来的光束相位变换进行补偿，之后将光束聚焦，最后经过柱透镜对光束的压缩调制使矩形状光束转换为高斯光束，最终实现了对OAM解复用，减少了相邻信道间的串扰，提高了单模光纤的传输效率，在整个过程未涉及光-电-光转换，实现了全光信息处理，同时，使用的所有器件都为无源器件，能减少系统的功率损耗。
附图说明
图1是本发明基于坐标变换的OAM解复用装置的较佳实施例的结构示意图。
图2是本发明基于坐标变换的OAM解复用方法的较佳实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1是本发明基于坐标变换的OAM解复用装置的较佳实施例的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于坐标变换的OAM解复用装置，所述基于坐标变换的OAM解复用装置包括：
第一相位掩模板1，用于对输入的多路携带信息的OAM光束进行光束复制，增加所述OAM光束的相位梯度后完成笛卡尔-对数极坐标的变换，将带有螺旋相位梯度的同心圆状的OAM光束转换为带有横向相位梯度的矩形状光束，对所述矩形状光束进行傅里叶变换，并在频谱面上成像；第二相位掩模板2，用于对因坐标变换带来的光束相位变换进行补偿，同时将不同横向相位梯度的矩形状光束聚焦成横向位置不同的狭长状光束；柱透镜3，用于将所述狭长状光束压缩成高斯状光束。
其中，所述第二相位掩模板2设置在所述第一相位掩模板1后方，所述柱透镜3设置在所述第二相位掩模板2后方；所述第一相位掩模板1、所述第二相位掩模板2以及所述柱透镜3依次设置在同一光轴上。
本发明的所述基于坐标变换的OAM解复用装置采用了光束复制的方法可以减少相邻信道间的串扰。
其中，所述第一相位掩模板1和所述第二相位掩模板2的结构相同(这里的结构指的是硬件结构)，所述第一相位掩模板1和所述第二相位掩模板2为相位型液晶空间光调制器件(液晶空间光调制器是光信息处理中的重要元件，利用它的振幅和位相调制特性可以实现多种光学变换和信息处理，而用一个纯相位液晶空间光调制器则可以进行全息图像的重建，还可以进行光学位相的共轭和数字光学计算等)。
进一步地，所述第一相位掩模板1和所述第二相位掩模板2还集成了透镜(透镜是用透明物质制成的表面为球面一部分的光学元件，透镜是根据光的折射规律制成的，镜头是由几片透镜组成的)的功能。
其中，所述柱透镜3使狭长状光束转换为高斯状光束，提高了单模光纤的传输效率。
进一步地，基于上述实施例提供的基于坐标变换的OAM解复用装置，本发明还提供一种基于坐标变换的OAM解复用方法，请参阅图2，图2是本发明基于坐标变换的OAM解复用方法的较佳实施例的流程图。
依照本发明中的基于坐标变换的OAM解复用装置的光路结构，具体实现过程如下：
步骤S100，通过所述第一相位掩模板1对输入的多路携带信息的OAM光束进行光束复制，增加所述OAM光束的相位梯度后完成笛卡尔-对数极坐标的变换，将带有螺旋相位梯度的同心圆状的OAM光束转换为带有横向相位梯度的矩形状光束，对所述矩形状光束进行傅里叶变换，并在所述第一相位掩模板1的频谱面上成像；
步骤S200，通过所述第二相位掩模板2对因坐标变换带来的光束相位变换进行补偿，同时将不同横向相位梯度的矩形状光束聚焦成横向位置不同的狭长状光束；
步骤S300，通过所述柱透镜3将所述狭长状光束压缩成高斯状光束。
具体地，所述第二相位掩模板2放置在沿光轴方向离所述第一相位掩模板1距离为所述的f的位置上，同心圆状的OAM光束在所述第一相位掩模板1和所述第二相位掩模板2之间逐渐演化成一矩形状光束。
所述第二相位掩模板2放置在沿光轴方向离所述第一相位掩模板1距离为f的位置上，所述柱透镜3的焦距为fcl，所述的柱透镜3放置在沿光轴方向离所述第二相位掩模板2距离为f减去fcl的差的位置上。
其中，带有不同横向相位梯度的矩形状光束在所述第二相位掩模板2和所述的柱透镜3之间演化成横向位置不同的狭长状光束，所述狭长状光束再演化成横向位置不同的高斯状光束。
其中，所述OAM光束为携带数字信号的涡旋光。
进一步地，所述第一相位掩模板1平面的坐标用(x,y)表示(其中，x和y分别表示平面坐标系中的横坐标和纵坐标)，所述第二相位掩模板2平面的坐标用(u,v)表示(其中，u和v分别表示平面坐标系中的横坐标和纵坐标)，为了将同心圆状的OAM光束的螺旋相位梯度变换为横向相位梯度的相位，所要实现的光学坐标变换为：
Figure BDA0002638399840000081
其中，a和b分别表示不同的参数；
同时为了减少相邻信道间的串扰，引入光束复制，并集成了透镜的功能，由此可以得到所述第一相位掩模板1加载的相位函数为：
Figure BDA0002638399840000082
其中，λ是输入光的波长，f为所述第一相位掩模板1到所述第二相位掩模板2的距离，参数a决定了光学变换后光束在所述第二相位掩模板2平面上的横向尺寸，变换后光束的横向尺寸2πa不能超过所述第二相位掩模板2的有效作用范围，b是独立于a的参数，可根据系统适当调节，光束复制次数为2N+1次(N为正整数)，参数ck和dk可以通过优化以实现高效、均匀的光束复制。这里的取输入n＝2(l1＝1,l2＝-1)路携带信息的OAM光束；波长λ＝1550nm；复制次数2N+1＝3；参数a和b分别取值为
Figure BDA0002638399840000083
5mm；i表示复制序数；参数ci和参数di分别对应于不同i(-1,0,1)取(1.329,1,1.329)、(-π/2,0,-π/2)；f＝500mm，fcl＝50mm。
变换后的复振幅相位部分除了源自OAM同心圆的OAM光束的螺旋相位，还有来自光学坐标变换时不同坐标点光程差异导致的相位，所以需要利用所述第二相位掩模板2对光束相位做补偿，所述第二相位掩模板2加载的相位函数为：
Figure BDA0002638399840000091
其中，参数
Figure BDA0002638399840000092
与由参数ci、di一样，可以通过优化以实现高效、均匀的光束复制。由此变换成的矩形状光束只有横向的相位变化，并且横向的相位变化量等于原OAM同心圆OAM光束相位随方位角的变化量。由于不同OAM态的光束相位变化量相差2π的整数倍，变换后的光束对应于不同传播方向的平面波。所述柱透镜3在衍射光场中对位相具有单向调制作用，所述柱透镜3的复振幅透过率函数为：
Figure BDA0002638399840000093
其中，k为波矢,fcl为柱透镜焦距，最后经所述柱透镜3与所述第二相位掩模板2共同作用，使矩形状光束转换为横向位置不同的高斯状光束，不同l值(l表示涡旋光的拓扑荷数)的光束的位置满足：
Figure BDA0002638399840000094
其中，d＝2πa；完成了对n(n≥1)路携带信息的OAM光束的解复用，经过所述基于坐标转换的OAM解复用装置后，n＝2(l1＝1,l2＝-1)路携带信息的位置分别为：
Figure BDA0002638399840000101
本发明中，待检测的n路携带信息的OAM同心圆状光束在经过所述第一相位掩模板后，同心圆状光束被转换为矩形状光束，所述矩形状光束经过所述第二相位掩膜板后，所述矩形状光束被聚焦成狭长状光束，所述狭长状光束经过所述柱透镜后，所述狭长状光束被转换为n路携带信息的OAM的高斯状光束(即高斯光束)。
综上所述，本发明提出了一种基于坐标变换的OAM解复用装置及方法，所述装置包括：第一相位掩模板，用于对输入的多路携带信息的OAM光束进行光束复制，增加OAM光束的相位梯度后完成笛卡尔-对数极坐标的变换，将带有螺旋相位梯度的同心圆状的OAM光束转换为带有横向相位梯度的矩形状光束，对矩形状光束进行傅里叶变换并在频谱面上成像；第二相位掩模板，用于对因坐标变换带来的光束相位变换进行补偿，同时将不同横向相位梯度的矩形状光束聚焦成横向位置不同的狭长状光束；柱透镜，用于将狭长状光束压缩成高斯状光束；最终实现了对OAM解复用，减少了相邻信道间的串扰，提高了单模光纤的传输效率，在整个过程未涉及光-电-光转换，实现了全光信息处理，同时，使用的所有器件都为无源器件，能减少系统的功率损耗。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于坐标变换的OAM解复用装置，其特征在于，所述基于坐标变换的OAM解复用装置包括：
第一相位掩模板，用于对输入的多路携带信息的OAM光束进行光束复制，增加所述OAM光束的相位梯度后完成笛卡尔-对数极坐标的变换，将带有螺旋相位梯度的同心圆状的OAM光束转换为带有横向相位梯度的矩形状光束，对所述矩形状光束进行傅里叶变换，并在频谱面上成像；
第二相位掩模板，用于对因坐标变换带来的光束相位变换进行补偿，同时将不同横向相位梯度的矩形状光束聚焦成横向位置不同的狭长状光束；
柱透镜，用于将所述狭长状光束压缩成高斯状光束。
2.根据权利要求1所述的基于坐标变换的OAM解复用装置，其特征在于，所述第二相位掩模板设置在所述第一相位掩模板后方，所述柱透镜设置在所述第二相位掩模板后方；
所述第一相位掩模板、所述第二相位掩模板以及所述柱透镜依次设置在同一光轴上。
3.根据权利要求1所述的基于坐标变换的OAM解复用装置，其特征在于，所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板为相位型液晶空间光调制器件。
4.根据权利要求1所述的基于坐标变换的OAM解复用装置，其特征在于，所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板集成了透镜的功能。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于坐标变换的OAM解复用装置，其特征在于，所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板的结构相同。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述基于坐标变换的OAM解复用装置的基于坐标变换的OAM解复用方法，其特征在于，所述基于坐标变换的OAM解复用方法包括以下步骤：
通过所述第一相位掩模板对输入的多路携带信息的OAM光束进行光束复制，增加所述OAM光束的相位梯度后完成笛卡尔-对数极坐标的变换，将带有螺旋相位梯度的同心圆状的OAM光束转换为带有横向相位梯度的矩形状光束，对所述矩形状光束进行傅里叶变换，并在频谱面上成像；
通过所述第二相位掩模板对因坐标变换带来的光束相位变换进行补偿，同时将不同横向相位梯度的矩形状光束聚焦成横向位置不同的狭长状光束；
通过所述柱透镜将所述狭长状光束压缩成高斯状光束。
7.根据权利要求6所述的基于坐标变换的OAM解复用方法，其特征在于，同心圆状的OAM光束在所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板之间逐渐演化成一矩形状光束。
8.根据权利要求6所述的基于坐标变换的OAM解复用方法，其特征在于，所述OAM光束为携带数字信号的涡旋光。
9.根据权利要求6所述的基于坐标变换的OAM解复用方法，其特征在于，所述第二相位掩模板放置在沿光轴方向离所述第一相位掩模板距离为f的位置上，所述柱透镜的焦距为fcl，所述的柱透镜放置在沿光轴方向离所述第二相位掩模板距离为f减去fcl的差的位置上。
10.根据权利要求6所述的基于坐标变换的OAM解复用方法，其特征在于，带有不同横向相位梯度的矩形状光束在所述第二相位掩模板和所述的柱透镜之间演化成横向位置不同的狭长状光束，所述狭长状光束再演化成横向位置不同的高斯状光束。
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