CN112910549A - 一种自恢复oam-fso系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡旋光通信技术领域，公开了一种自恢复OAM‑FSO系统，包括作为信息载体的贝塞尔‑高斯涡旋光束以及作为探针的高斯光束：发射端，所述高斯光束入射到空间光调制器SLM‑1上，以生成所需的贝塞尔‑高斯涡旋光束，贝塞尔‑高斯涡旋光束通过自由空间湍流信道传播；接收端，经大气湍流环境后，未经调制的高斯光束通过CCD相机对畸变的光场强度进行捕捉其强度分布，并传入计算机中通过GS算法对其进行相位补偿，将补偿相位加载到空间光调制器SLM‑2上；通过傅里叶透镜将贝塞尔‑高斯涡旋光束转换为完美涡旋光束，再通过复合相位全息图对完美涡旋光束进行解调。本发明可有效减小湍流对光束的影响，在恶劣的环境下仍能获得良好的传输性能。

Description

一种自恢复OAM-FSO系统
技术领域
本发明涉及涡旋光通信技术领域，尤其涉及一种自恢复OAM-FSO系统。
背景技术
轨道角动量(OAM)光束作为信息载体在自由空间中传输时可以极大地提升通信的频谱效率和信道容量。1992年Allen等人证明了具有螺旋波前的拉盖尔-高斯光束携带有轨道角动量。然而，拉盖尔-高斯光束并不是唯一可以携带OAM的光束，贝塞尔光束、马修光束和因斯-高斯光束也可以携带OAM。其中，贝塞尔-高斯光束具有无衍射特性，在遇到障碍物时能够自行恢复，具有广泛的应用前景。传统涡旋光束的拓扑荷值与中心亮环的半径成正比，因而在OAM的复用传输以及高阶OAM的产生等方面会有一定的困难。完美涡旋的提出为此提供了一种解决方案。与传统涡旋光束相比，完美涡旋光束可以保持恒定的环形强度分布和光束半径，在粒子操控，光学通信等方面有广阔的应用前景，成为光学涡旋领域众多研究者竞相研究的热点课题。
在基于OAM的光通信系统中，如何实现OAM模式的高效解调与检测是一个关键问题。常用的OAM模式检测的方法有螺旋相位板，光栅，坐标变换，计算全息图，复合相位全息图等。其中，复合相位全息图是一种能够实现对多个OAM态同时检测的方法，通过合理的参数设置，可以实现在检测平面不同衍射级对特定OAM态进行检测。然而，在基于OAM的自由空间光(FSO)通信系统中，由于大气湍流的影响，会使涡旋光束的强度和相位发生改变，降低通信系统的性能。为了解决这个问题，国内外学者提出了MIMO均衡，自适应光学和相位补偿算法等方法，可以有效减少大气湍流引起的失真，提高光束的质量。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种自恢复OAM-FSO系统。
本发明提出的一种自恢复OAM-FSO系统，包括作为信息载体的贝塞尔-高斯涡旋光束以及作为探针的高斯光束：
发射端，所述高斯光束入射到空间光调制器SLM-1上，以生成所需的贝塞尔-高斯涡旋光束，贝塞尔-高斯涡旋光束通过自由空间湍流信道传播；
接收端，经大气湍流环境后，未经调制的高斯光束通过CCD相机对畸变的光场强度进行捕捉其强度分布，并传入计算机中通过GS算法对其进行相位补偿，将补偿相位加载到空间光调制器SLM-2上；
通过傅里叶透镜将贝塞尔-高斯涡旋光束转换为完美涡旋光束，再通过复合相位全息图对完美涡旋光束进行解调。
优选地，所述发射端通过空间光调制器SLM-1将信号调制到单一或多路复用的所述贝塞尔-高斯涡旋光束上。
优选地，所述复合相位全息图采用螺旋相位和闪耀光栅结合而成，所述闪耀光栅分别控制OAM光束的垂直和水平传播方向，其表达式为：exp(i(k sinαx+k sinβy))，其中α和β分别为波束在水平方向和垂直方向的偏转角度。
优选地，，将所述螺旋相位和所述闪耀光栅结合而形成的光栅，实现在检测平面特定位置对所述完美涡旋光束的解调，该光栅的表达式为：exp(i(k sinαx+k sinβy+lφ))。
优选地，将对应不同OAM模式的光栅叠加到一起，得到复合相位全息图，用来同时产生或检测多个OAM，其相位分布可以描述为：
Figure BDA0002897098970000031
其中N为OAM模式的数量，αn和βn分别为水平方向和垂直方向的偏转角度。
本发明中，所述一种自恢复OAM-FSO系统首先在发射端将信息调制到贝塞尔-高斯涡旋光束上，随后通过大气湍流信道进行传输，并将一束高斯光束作为探针一同传输，以便得到补偿相位。另外在接收端，通过Gerchberg-Saxton算法生成相位全息图，对经过大气湍流后的光束进行相位补偿，以减少大气湍流引起的失真。随后将经过相位补偿后的光束通过傅里叶透镜转化为完美涡旋光束，再通过复合相位全息图控制光束的传播方向，将光束转换到特定方向进行检测。该方案可有效减小湍流对光束的影响，在恶劣的环境下仍能获得良好的传输性能。
附图说明
图1是本发明中一种自恢复OAM-FSO系统的结构示意图。
图2是发送多路复用OAM模式(l1＝-8,l2＝7)的贝塞尔-高斯涡旋光束分别在传输前，经过大气湍流后通过GS算法恢复后以及产生的完美涡旋的强度分布图。
图3是生成的复合相位全息图的相位分布图。
图4是发送多路复用OAM模式(l1＝-8,l2＝7)的贝塞尔-高斯涡旋光束时接收端的解调结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例
如图1所示，一种自恢复OAM-FSO系统，在发射端，高斯光束入射到空间光调制器SLM-1上，以生成所需的贝塞尔-高斯涡旋光束，贝塞尔-高斯涡旋光束具有一定的自恢复特性，当OAM光束的拓扑荷值较大时，贝塞尔-高斯光束的自恢复特性可以显著降低湍流环境引起的畸变。对于多路复用的OAM光束，由于相干叠加产生的多模串扰和强湍流引起的严重畸变将会严重影响通信系统的性能。采用GS算法对波束进行补偿，可以有效降低湍流环境的影响。随后，贝塞尔-高斯涡旋光束通过自由空间湍流信道传播。与此同时，未经调制的高斯光束作为探针也经过湍流传播，并在接收端通过CCD相机捕捉其强度分布，发送到计算机执行GS算法以生成补偿相位，随后将该补偿相位加载到SLM-2上，以降低湍流对涡旋光束造成的影响。然后，利用傅里叶透镜将经过相位补偿后的贝塞尔-高斯涡旋光束转化成完美涡旋。最后，通过复合相位全息图对光束进行解调，当经过复合相位全息图解调后聚焦在检测平面上时，各个衍射级的光斑分布仍为贝塞尔型分布，其光斑尺寸较大，更易于检测，可以提升解调的准确率。
在这里，采用GS算法循环迭代的具体步骤如下：
1、初始化，提取经过大气湍流后的畸变高斯光束的振幅a0以及探针光束的相位
Figure BDA0002897098970000051
进行快速傅里叶变换(FFT)得到像平面上的谱分布：
Figure BDA0002897098970000052
2、用探针光束的幅值B0代替振幅A0，相位
Figure BDA0002897098970000053
不变，得到新的谱分布为:
Figure BDA0002897098970000054
3、进行快速傅里叶逆变换(IFFT)得到振幅和相位函数
Figure BDA0002897098970000055
其中，b0和
Figure BDA0002897098970000056
分别为SLM平面上的振幅和相位。
4、继续用原畸变高斯光束的振幅a0代替振幅b0，保留相位
Figure BDA0002897098970000057
可以得到SLM-2平面上的光场分布为:
Figure BDA0002897098970000058
然后，回到步骤1继续循环迭代。将更新后的傅里叶变换相函数代入误差函数中。根据误差精度，可以判断迭代否继续。如果误差条件满足，则跳出循环，该回路的相位函数为输出，从而获得补偿相位
Figure BDA0002897098970000059
加载到SLM-2上。
在这里，将螺旋相位和闪耀光栅结合，设计了一种多路复用相位全息图。闪耀光栅可以分别控制所需OAM光束的垂直和水平传播方向，其表达式为：
exp(i(k sinαx+k sinβy))
其中，α和β分别为波束在水平方向和垂直方向的偏转角度。通过调整α和β的值，可以灵活控制光束的水平和垂直传播方向。
因此，将螺旋相位掩模和闪耀光栅结合而形成的光栅，可以实现在检测平面特定位置对涡旋光束的解调。该光栅的表达式为：
exp(i(k sinαx+k sinβy+lφ))
将对应不同OAM模式的光栅叠加到一起，得到复合相位全息图，可用来同时产生或检测多个OAM，其相位分布可以描述为：
Figure BDA0002897098970000061
其中N为OAM模式的数量，αn和βn分别为水平方向和垂直方向的偏转角度。
实施例1：
本例结合附图详细介绍采用该系统传输多路复用(l1＝-8,l2＝7)的贝塞尔-高斯涡旋光束的情况。
在发射端，将波长λ＝1550nm，束腰半径ω0＝1cm的高斯光束照射到空间光调制器SLM-1上，以产生多路复用的贝塞尔-高斯涡旋光束。
在模拟的OAM-FSO通信系统中，通过沿传播路径放置一系列随机相位屏来模拟大气湍流，每个相位屏均是一个可以改变光束相位分布的薄层。理论模型可以描述为：
Figure BDA0002897098970000071
其中，C是一个均值为0方差为1的随机序列，N和Δx表示随机相位屏的尺寸和网格间距，相邻相位屏间的间距为Δz，kx和ky分别为x和y方向的波数，L0是大气湍流的外部尺寸,kl＝3.3/l0，其中l0为大气湍流的内部尺寸，
Figure BDA0002897098970000072
为折射率代表了大气湍流的强度。
图2是拓扑荷为-8和7的复用涡旋光束在不同湍流条件下的强度分布(上)以及通过傅里叶透镜转化为完美涡旋的强度分布(下)。对于有湍流的情况，图中分别展示了未采用GS算法进行相位补偿(左)和采用GS算法进行相位补偿(右)的光强分布。可以看出，采用GS算法进行相位补偿，可以有效降低湍流的影响。
图3是产生的复合相位全息图的相位分布。该全息图为3×3的衍射形式，不同衍射级分别对应拓扑荷为-11，-8，-5，-2，1，4，7，11的涡旋。
图4为解调结果，可以看出，在不同湍流条件下，均可在对应衍射位置中心看到清晰的亮斑。从模式分析的结果也可看出，即使在强湍流状态下，仍展现出良好的性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自恢复OAM-FSO系统，包括作为信息载体的贝塞尔-高斯涡旋光束以及作为探针的高斯光束，其特征在于：
发射端，所述高斯光束入射到空间光调制器SLM-1上，以生成所需的贝塞尔-高斯涡旋光束，贝塞尔-高斯涡旋光束通过自由空间湍流信道传播；
接收端，经大气湍流环境后，未经调制的高斯光束通过CCD相机对畸变的光场强度进行捕捉其强度分布，并传入计算机中通过GS算法对其进行相位补偿，将补偿相位加载到空间光调制器SLM-2上；
通过傅里叶透镜将贝塞尔-高斯涡旋光束转换为完美涡旋光束，再通过复合相位全息图对完美涡旋光束进行解调。
2.根据权利要求1所述的一种自恢复OAM-FSO系统，其特征在于，所述发射端通过空间光调制器SLM-1将信号调制到单一或多路复用的所述贝塞尔-高斯涡旋光束上。
3.根据权利要求1所述的一种自恢复OAM-FSO系统，其特征在于，所述复合相位全息图采用螺旋相位和闪耀光栅结合而成，所述闪耀光栅分别控制OAM光束的垂直和水平传播方向，其表达式为：exp(i(ksinαx+ksinβy))，其中α和β分别为波束在水平方向和垂直方向的偏转角度。
4.根据权利要求3所述的一种自恢复OAM-FSO系统，其特征在于，将所述螺旋相位和所述闪耀光栅结合而形成的光栅，实现在检测平面特定位置对所述完美涡旋光束的解调，该光栅的表达式为：exp(i(ksinαx+ksinβy+lφ))。
5.根据权利要求4所述的一种自恢复OAM-FSO系统，其特征在于，将对应不同OAM模式的光栅叠加到一起，得到复合相位全息图，用来同时产生或检测多个OAM，其相位分布可以描述为：
Figure FDA0002897098960000021
其中N为OAM模式的数量，αn和βn分别为水平方向和垂直方向的偏转角度。
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