CN112614415B - Oam复用光束动态传输模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OAM复用光束动态传输模拟系统，涉及涡旋光束在动态大气湍流下的持续传输模拟技术。本系统包括依次连通的光源（10）、调制OAM光束（20）、OAM模式复用（30）、动态大气湍流模拟装置（40）和接收解调装置（50）。与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：①在OAM复用传输系统中引入了一种动态大气湍流模型，可以更加真实地模拟自由空间复用涡旋光束动态传输；②能进一步提升涡旋光通信仿真系统的有效性，针对不同强度地大气湍流，更加科学地分析和设计相应的恢复补偿算法；③在动态大气湍流模型里展开实验有利于推动复用涡旋光通信从实验过渡到工业使用，具有良好的应用前景；④结构简单，易于实现。

Description

OAM复用光束动态传输模拟系统

技术领域

本发明涉及涡旋光复用光束在动态大气湍流下的持续传输模拟技术，尤其涉及一种OAM复用光束动态传输模拟系统。

背景技术

光束波前携带空间螺旋相位因子exp(ilφ)的光束称为轨道角动量(OrbitalAngular Momentum，OAM)光束，也称为涡旋光束(Vortex Beams)，每个光子携带的轨道角动量为

其中φ为方向角，l为拓扑荷数，

为OAM的模态值(也称模式值或本征态值)。涡旋光束的相位是连续的，它的波阵面像旋涡一样在传播中保持螺旋向前。

随着信息技术的发展，人们对信道容量，传输速率的要求逐渐提高。OAM复用光通信凭借频谱利用率高、安全可靠性高和传输速率高的优势成为了当今研究热点。但是由于自由空间中存在动态大气湍流，系统内部存在工艺缺陷和器件老化，引起涡旋光束相位起伏涡旋光束弥散，导致通信误码率较高。因此，为了分析和设计应对不同强度大气湍流所采用的恢复补偿算法，研究OAM复用光束经过动态大气湍流的持续传输十分重要。为了模拟在大气湍流中传播，基于柯尔莫戈洛夫理论的数值模拟方法被广泛应用于湍流大气中的光传播研究。其中最普遍的静态相位屏生成方法是由McGlamery最先引入的FT方法，但是静态相位屏只能模拟单一时空的大气状态，在OAM复用传输模拟系统中目前还没有相匹配的模型用来模拟自由空间中随时间和风速变化的动态大气湍流。仿真动态演化的大气，需要针对每一个大气表达式随时间横向移动相位屏。

为了克服经过大气湍流后产生的波前畸变和态间串扰并恢复原始相位，北京理工大学的高春清团队利用预校正技术，在系统中引入高斯光束作为探针光，并利用GS算法以及SPGD算法进行校正，结果表明在中度及弱湍流下GS算法能够发挥一定的作用，但是面对复杂多变的动态大气湍流效应，单一高斯光束获取的信息结合相位恢复算法并不能完全恢复原始涡旋光空间相位。因此为了采取对应有效的恢复补偿算法，研究复用涡旋光束在动态大气湍流模型下传输，分析传输过程中OAM复用光束受到的持续影响十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复用OAM光束动态传输模拟系统，即模拟动态大气湍流下的涡旋光传输，有助于模拟随风速实时改变的动态大气湍流对涡旋光传输的持续影响，并分析和设计各种动态大气湍流中涡旋光传输的恢复补偿算法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明依照“泰勒冻结湍流理论”，通过利用反射式液晶空间光调制器加载一系列具有相关性的大气湍流相位屏模拟现实生活中随风速逐渐演变的动态大气湍流，在室内模拟复用涡旋光束在动态大气湍流中的持续传输。

①在发射端，光源发出的光信号经过光纤耦合器分出两路光信号，两路信号被扩束准直后经由空间光调制器调制相位，得到两束不同拓扑荷值的OAM光束，最后两束光信号经过合束镜合束得到OAM复用光束；

②复合光束在自由空间中传输由于动态大气湍流干扰导致涡旋光束波前发生畸变，本系统利用第一反射式液晶空间光调制器加载一系列具有空间相关性随风速逐渐演变的大气湍流相位屏，用于模拟实时改变的动态大气湍流；

③在接收端，复合涡旋光束经过第二液晶空间光调制器上的反向相位全息图(若制备涡旋光束的时拓扑荷数为正，此时就为负)可恢复出初始的带有调制格式的脉冲信号光；

④随着复用涡旋光束信号的持续传输，第一反射式液晶空间光调制器上加载的一系列湍流屏逐渐演变，接收端接收解调的信号强度也会随之改变，利用强度信息可以检测在动态大气湍流干扰下各相位恢复算法的持续效果。

具体地说，本系统包括依次连通的光源10、调制OAM光束20、OAM模式复用30、动态大气湍流模拟装置40和接收解调装置50；

所述的光源10选用带调制格式的脉冲信号光；

所述的调制OAM光束20包括光纤耦合器21、第1扩束准直镜22、第1空间光调制器23、第2扩束准直镜24和第2空间光调制器25；其连通关系是：光源10和光纤耦合器21依次连通，得到两路相同的光信号B1、B2；光纤耦合器21、第1扩束准直镜22、第1空间光调制器23和合束镜31依次连通，光纤耦合器21、第2扩束准直镜24、第2空间光调制器25和合束镜31依次连通，合束镜31、第1反射式液晶空间光调制器41和控制器42依次连通；

所述的OAM模式复用30包括合束镜31；

所述的动态大气湍流模拟装置40包括第1反射式液晶空间光调制器41及其控制器42；

所述的接收解调装置50包括反射镜51、第2反射式液晶空间光调制器52、透镜53、接收器54和处理器55；其连通关系是：反射镜51、第2反射式液晶空间光调制器52、透镜53、接收器54和处理器55依次连通，将解调用的相位全息图加载到第2反射式液晶空间光调制器52上恢复出原始高斯光束。

与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：

①在复用涡旋光束传输模拟系统中引入一种动态大气湍流模型，与静态仿真湍流屏相比，动态模型能用来模拟涡旋光通信持续传输实验，定量分析实时改变的湍流对复用涡旋光束造成的持续影响，能够分析当前补偿技术能够发挥作用所处的湍流强度范围，及时发送新的探针光束或者采取更适配相位恢复算法来补偿涡旋光相位。

②引入的动态大气湍流模型能进一步提升涡旋光通信仿真系统的科学性和有效性，更有利于涡旋光通信从仿真过渡到工业使用，无线光通信发展是未来所趋，研究在动态大气湍流下的无线光通信系统具有重要意义，因此该专利具有良好的应用前景。

③结构简单，易于实现。

附图说明

图1是本系统的结构方框图；

图2是调制OAM光束20、OAM模式复用30以及动态大气湍流模拟装置40的结构光路图；

图3横向风速示意图；

图4是动态大气湍流模型产生方法图；

图5是动态大气湍流模型节选效果图；

图6是接收解调装置50的结构光路图。

图中：

10—光源；

20—调制OAM光束，

21—光纤耦合器，

22—第1扩束准直镜，

23—第1空间光调制器，

24—第2扩束准直镜，

25—第2空间光调制器；

30—OAM模式复用，

31—合束镜；

40—动态大气湍流模拟装置，

41—第1反射式液晶空间光调制器，

42—控制器；

401、402、403—零1、零2、零3大气湍流相位屏，(零即初始)，

411、412、413—一1、一2、一3大气湍流相位屏，

421、422、423—二1、二2、二3大气湍流相位屏，

......

4m1、4m2、4m3—M1、M2、M3大气湍流相位屏，

404、414、424...4m4—第零、一、二...M帧动态大气湍流相位屏；

m是自然数，5≤m≤100；M是自然数，五≤M≤一百；

50—接收解调装置，

51—反射镜，

52—第2反射式液晶空间光调制器，

53—透镜；

54—接收器，

55—处理器。

音译汉

1、OAM：全称Orbital Angular Momentum，轨道角动量；

2、Vortex Beams：涡旋光束；

3、FT：傅里叶变换；

4、GS算法：任意线性变换系统中振幅—相位恢复的理论和算法；

5、SPGD算法：随机并行梯度下降算法。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例详细说明。

一、系统

1、总体

如图1，本系统包括依次连通的光源10、调制OAM光束20、OAM模式复用30、动态大气湍流模拟装置40和接收解调装置50。

本系统是基于动态大气湍流模型下的复用涡旋光传输全过程，模拟复用涡旋光束在随横向风改变的动态大气湍流下传输，能进一步提升涡旋光通信仿真系统的有效性，更有利于涡旋光通信从仿真过渡到工业使用。

2、功能单元

1)光源10

选用带调制格式的脉冲信号光。

2)调制OAM光束20

如图2，调制OAM光束20包括光纤耦合器21、第1扩束准直镜22、第1空间光调制器23、第2扩束准直镜24和第2空间光调制器25；

其连通关系是：

光源10和光纤耦合器21前后连通，得到两路相同的光信号B1、B2；

光纤耦合器21、第1扩束准直镜22、第1空间光调制器23和合束镜31依次连通，光纤耦合器21、第2扩束准直镜24、第2空间光调制器25和合束镜31依次连通，合束镜31、第1反射式液晶空间光调制器41和控制器42依次连通。

其光路和工作机理是：

如图2，在发送端，来自光源10具有调制格式的脉冲信号A首先经过1×2光纤耦合器21分出两路相同的光信号B1、B2，由于激光器制备的光束具有一定的发散角，因此光信号B1、B2需要分别经过一个扩束准直镜22、24来增大光束束腰半径，减小发散角，在得到两束扩束准直的高斯光束C1、C2后，分别利用第1、2空间光调制器23、25对高斯光束进行相位调制，叠加涡旋相位因子exp(ilφ)，此时在发送端得到了两束任意拓扑荷值的涡旋光束D1、D2；最后利用合束镜31将两束光进行合束，生成复用光束E。

功能部件：

(1)光纤耦合器21

光纤耦合器21又称分歧器，是将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，用于实现光信号分路/合路，模块型的光纤耦合器或用于延长光纤链路，属于光被动元件领域；

其功能是对光束A分束，生成光束B1、B2。

(2)第1扩束准直镜22是一种能够改变高斯光束束腰半径和发散角的光学器件；

其功能是将入射光束B1束腰半径增大，发散角减小生成光束C1。

(3)第1空间光调制器23是在时域电信号或空域光信号驱动下，可以空间地改变一维或二维光场的相位、偏振、强度等特性的器件，例如液晶空间光调制器、数字微镜器件；

其功能是通过反射或透射将入射光束C1附加上相位因子exp(ilφ1)，生成涡旋光束D1。

(4)第2扩束准直镜24是一种能够改变高斯光束束腰半径和发散角的光学器件；

其功能是将入射光束B2束腰半径增大，发散角减小生成光束C2。

(5)第2空间光调制器25是在时域电信号或空域光信号驱动下，可以空间地改变一维或二维光场的相位、偏振、强度等特性的器件，例如液晶空间光调制器、数字微镜器件；

其功能是通过反射或透射将入射光束C2附加上相位因子exp(ilφ2)，生成涡旋光束D2。

3)模式复用30

模式复用30包括合束镜31，将两束不同拓扑荷数涡旋光D1、D2，经过合束镜31得到复合光束E。

功能部件：

合束镜31是一种利用光学反射原理将不同方向的两束光整合成同一束光的光学器件；

其功能是将两束不同拓扑荷之的OAM光束D1、D2复用成一束OAM复合光束E。

4)动态大气湍流模拟装置40

动态大气湍流模拟装置40包括第1反射式液晶空间光调制器41及其控制器42。

动态大气湍流模拟装置40用一个加载了特定相位屏的第1反射式液晶空间光调制器41模拟而成，这些特定相位屏是指一系列随横向风速vx不断改变的湍流相位屏，复合光束E经过第1反射式液晶空间光调制器41反射得到叠加了的随机湍流相位的畸变复合涡旋光束E1。

第1反射式液晶空间光调制器41是一种通过控制液晶分子上的电压来调制光场相位、偏振和强度的光学器件；

其功能是将复合光束E附加上动湍流相位因子。

控制器42是计算机，其内嵌有动态大气湍流模型的生成方法。

如图3，所述的横向风是指当涡旋光束在水平面沿x轴方向传输时遭遇与传输方向垂直的y轴方向的风，风速vx＝vcosθ。

如图4，动态大气湍流模型的生成方法是：

A、采用加入分谐波低频强化的傅里叶数列的方法制作零1、零2、零3大气湍流相位屏401、402和403，制作时初始大气折射率强度设为10^-17m^-2/3，为弱大气湍流，相位屏分辨率设为256×256，针对零1、零2、零3大气湍流相位屏401、402、403加权取均值得到第零帧动态大气湍流相位屏404；

B、横向风以风速v_x0第零次扰动三层湍流相位屏，零1、零2、零3大气湍流相位屏401、402、403分别受到影响，相位点整体向右平移，计算出扰动平移后的下一状态的三层相位屏，在生成的新屏中平移导致增加的空白相位由原始相位点线性插值得到，此时生成的一1、一2、一3大气湍流相位屏411、412、413与零1、零2、零3大气湍流相位屏401、402、403具有空间相关性，对一1、一2、一3大气湍流相位屏411、412、413取均值得到第一帧动态大气湍流相位屏414，第一帧动态大气湍流相位屏414与第零帧动态大气湍流相位屏404同样具有空间相关性；

C、横向风以风速v_x1第二次扰动三层湍流相位屏，一1、一2、一3大气湍流相位屏411、412、413分别受到影响，相位点再次整体向右平移，计算出扰动平移后的下一状态的三层相位屏，在生成的新屏中平移导致增加的空白相位由原始相位点线性插值得到，此时生成的三层二1、二2、二3大气湍流相位屏421、422、423与一1、一2、一3大气湍流相位屏411、412、413具有空间相关性，对二1、二2、二3大气湍流相位屏421、422、423取均值得到第二帧动态大气湍流相位屏424，第二帧动态大气湍流相位屏424与第一帧动态大气湍流相位屏414和第零帧动态大气湍流相位屏404都具有空间相关性；

D、当横向风速不断改变，三层相位屏也不断随之改变，依此类推，最终得到m1、m2、m3大气湍流相位屏4m1、4m2、4m3，加权取均值得到第M帧动态大气湍流相位屏4m4；

m是自然数，5≤m≤100；M是自然数，五≤M≤一百；

E、将生成的一系列具有空间相关性的第零帧动态大气湍流相位屏404到第M帧动态大气湍流相位屏4M4按顺序组合成一组弱动态大气湍流相位屏；

F、依照上述制作具有相关性的M帧弱大气湍流相位屏的方法，将初始大气折射率强度设为10^-15m^-2/3，相位屏分辨率依旧设为256×256，制作M帧具有相关性的中等强度动态大气湍流相位屏；

G、依照上述制作具有相关性的M帧中等强度大气湍流相位屏的方法，将初始大气折射率强度设为10^-13m^-2/3，相位屏分辨率依旧设为256×256，制作M帧具有相关性的强动态大气湍流相位屏；

H、将生成的M帧弱动态大气湍流相位屏、M帧中等强度动态大气湍流相位屏和M帧强动态大气湍流相位屏按顺序组合起来，生成一组3×M帧循环播放的动态大气湍流相位屏模型，模型效果图如图5所示，将动态模型相位屏加载在第1反射式液晶空间光调制器41上。

5)接收解调装置

如图6，和接收解调装置50包括反射镜51、第2反射式液晶空间光调制器52、透镜53、接收器54和处理器55；

其连通关系是：反射镜51、第2反射式液晶空间光调制器52、透镜53、接收器54和处理器55依次连通；

其光路和工作机理是：

在接收端，经过自由空间产生动态大气湍流畸变的光束E1被反射镜51反射调整光路，然后经过第2反射式液晶空间光调制器52反射，此时处理器55将解调用的相位全息图加载到第2反射式液晶空间光调制器52上恢复出原始高斯光束，反射光F经过透镜53聚焦在接收器54上。接收器54经过光电转换得到复合涡旋光束F的光强信息，此信息为经过动态大气湍流畸变后的光强信息。

功能部件：

(1)反射镜51是一种利用反射定律工作的光学元件；

其功能是改变光束传输路径，反射经过动态大气湍流畸变的OAM复合光束，完成后续光路的传输。

(2)第2反射式液晶空间光调制器52是一种通过控制液晶分子上的电压来调制光场相位、偏振和强度的光学器件；

其功能是加载解调用的相位全息图，恢复出初始的带有调制格式的脉冲信号光；

(3)透镜53是以两个共轴折射曲面为边界的透明体，是将光线折射成像的重要光学元件，两个面都为球面或者有一个面为球面、另一个面为平面的透镜叫球面透镜；

其功能是将平行光线光束F汇聚集中于像方焦面上的接收器54，方便接收器54收集光强信息。

(3)接收器54是一种光电电荷转换器，通常以单列或二维阵列来排列，根据照射在其上的光线强度正比地发出电子信号；

其功能是将收集到的光强信息转化为电荷并将电荷存储且转移传输给处理器54，便于处理器55利用此光强信息进行相位恢复算法。

(5)处理器55是计算机或是一定规模的集成电路，其内嵌相位恢复方法；

其功能是计算解调用的相位全息图并加载在第2液晶空间光调制器52上，并以接收器54收集到的光强信息作为输入，运行相位恢复算法恢复原始相位，检测分析动态大气湍流对涡旋光动态传输模拟系统的持续影响；

3、本发明的工作机理是：

本发明提出了一个OAM复用光束动态传输模拟系统，模拟在动态大气湍流下的持续涡旋光复用传输；在发送端分别利用第1、第2空间光调制器23和25调制涡旋相位，并用合束镜31进行复用，然后通过动态大气湍流模型，其中动态大气湍流模型由控制器42生成一系列随风速逐渐演变的具有空间相关性的湍流相位屏并加载在第1反射式液晶空间光调制器41上；在接收端处理器55控制第2反射式液晶空间光调制器52加载与复用光束相位相反的相位全息图展开解调，并在接收器54上通过光电转换接收，在处理器上观察分析动态大气湍流对涡旋光复用传输的影响，并分析和设计各种动态大气湍流中涡旋光传输的恢复补偿算法。

Claims (1)

1.一种OAM复用光束动态传输模拟系统，

包括依次连通的光源(10)、调制OAM光束(20)、OAM模式复用(30)、动态大气湍流模拟装置(40)和接收解调装置(50)；

所述的光源(10)选用带调制格式的脉冲信号光；

所述的调制OAM光束(20)包括光纤耦合器(21)、第1扩束准直镜(22)、第1空间光调制器(23)、第2扩束准直镜(24)和第2空间光调制器(25)；其连通关系是：光源(10)和光纤耦合器(21)依次连通，得到两路相同的光信号B1、B2；光纤耦合器(21)、第1扩束准直镜(22)、第1空间光调制器(23)和合束镜(31)依次连通，光纤耦合器(21)、第2扩束准直镜(24)、第2空间光调制器(25)和合束镜(31)依次连通，合束镜(31)、第1反射式液晶空间光调制器(41)和控制器(42)依次连通；

所述的OAM模式复用(30)包括合束镜(31)，将两束不同拓扑荷值涡旋光束D1、D2，经过合束镜(31)得到复合光束E；

所述的动态大气湍流模拟装置(40)包括第1反射式液晶空间光调制器(41)及其控制器(42)；

所述的接收解调装置(50)包括反射镜(51)、第2反射式液晶空间光调制器(52)、透镜(53)、接收器(54)和处理器(55)；其连通关系是：反射镜(51)、第2反射式液晶空间光调制器(52)、透镜(53)、接收器(54)和处理器(55)依次连通，将解调用的相位全息图加载到第2反射式液晶空间光调制器(52)上恢复出原始高斯光束，用接收器(54)接收光强信息并传递给处理器(55)；

其特征在于：

所述的动态大气湍流模拟装置(40)中控制器(42)加载的动态大气湍流模型的生成方法是：

A、采用加入分谐波低频强化的傅里叶数列的方法制作零1、零2、零3大气湍流相位屏(401、402、403)，制作时初始大气折射率强度设为10^-17m^-2/3，为弱大气湍流，相位屏分辨率设为256×256，针对零1、零2、零3大气湍流相位屏(401、402、403)加权取均值得到第零帧动态大气湍流相位屏(404)；

B、横向风以风速v_x0第零次扰动三层湍流相位屏，零1、零2、零3大气湍流相位屏(401、402、403)分别受到影响，相位点整体向右平移，计算出扰动平移后的下一状态的三层相位屏，在生成的新屏中平移导致增加的空白相位由原始相位点线性插值得到，此时生成的一1、一2、一3大气湍流相位屏(411、412、413)与零1、零2、零3大气湍流相位屏(401、402、403)具有空间相关性，对一1、一2、一3大气湍流相位屏(411、412、413)取均值得到第一帧动态大气湍流相位屏(414)，第一帧动态大气湍流相位屏(414)与第零帧动态大气湍流相位屏(404)同样具有空间相关性；

C、横向风以风速v_x1第二次扰动三层湍流相位屏，一1、一2、一3大气湍流相位屏(411、412、413)分别受到影响，相位点再次整体向右平移，计算出扰动平移后的下一状态的三层相位屏，在生成的新屏中平移导致增加的空白相位由原始相位点线性插值得到，此时生成的三层二1、二2、二3大气湍流相位屏(421、422、423)与一1、一2、一3大气湍流相位屏(411、412、413)具有空间相关性，对二1、二2、二3大气湍流相位屏(421、422、423)取均值得到第二帧动态大气湍流相位屏(424)，第二帧动态大气湍流相位屏(424)与第一帧动态大气湍流相位屏(414)和第零帧动态大气湍流相位屏(404)都具有空间相关性；

D、当横向风速不断改变，三层相位屏也不断随之改变，依此类推，最终得到m1、m2、m3大气湍流相位屏(4m1、4m2、4m3)，加权取均值得到第M帧动态大气湍流相位屏(4m4)；

m是自然数，5≤m≤100；M是自然数，五≤M≤一百；

E、将生成的一系列具有空间相关性的第零帧动态大气湍流相位屏(404)到第M帧动态大气湍流相位屏(4M4)按顺序组合成一组弱动态大气湍流相位屏；

F、依照上述制作具有相关性的M帧弱大气湍流相位屏的方法，将初始大气折射率强度设为10^-15m^-2/3，相位屏分辨率依旧设为256×256，制作M帧具有相关性的中等强度动态大气湍流相位屏；

G、依照上述制作具有相关性的M帧中等强度大气湍流相位屏的方法，将初始大气折射率强度设为10^-13m^-2/3，相位屏分辨率依旧设为256×256，制作M帧具有相关性的强动态大气湍流相位屏；

H、将生成的M帧弱动态大气湍流相位屏、M帧中等强度动态大气湍流相位屏和M帧强动态大气湍流相位屏按顺序组合起来，生成一组3×M帧循环播放的动态大气湍流相位屏模型，将动态模型相位屏加载在第1反射式液晶空间光调制器(41)上。

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