CN113946059B - 一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用的技术和装置，包括光纤准直器阵列、传输光纤、集成光波导模块、相位控制模块。本发明结合了平面波导与光纤器件，在优化算法的闭环控制下，可稳定地、高效地用于产生并复用不同模式数的涡旋光束，也可用于不同模式数涡旋光束的解复用。其优点是模块化、结构简单、易于扩展；可通过增加通道单元数等效实现大口径望远镜，降低成本；涡旋光束的产生、复用及解复用效率高；在保证光束质量的同时提升输出功率；部分准直器损坏时不影响其他通道，系统仍能正常运行，可靠性强。本发明兼顾了涡旋光束的发射与接收，产生、复用及解复用功能，在自由空间激光通信领域有着重要的应用前景。

Description

一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置

技术领域

本发明涉及一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用的技术和装置，属于光学工程和仪器科学领域，在自由空间光通信中有着重要的应用前景。

背景技术

空间激光通信具有速率高、保密性强、抗电磁干扰、体积重量小和功耗低等优点，是构建全球范围内的空、天、地一体化宽带通信网络的有效手段，在军、民两用上都具有广阔的应用前景。开发新的信道复用技术，以进一步挖掘无线激光通信容量的潜力，是技术前沿研究的热点。这其中，以轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)涡旋光束复用技术为代表的模分复用(MDM)技术，在通信领域得到了广泛关注(Y.X.Ren,et al.,“Free-space optical communications using orbital-angular-momentum multiplexingcombined with MIMO-based spatial multiplexing,”Optics Letters,40(18),4210-4213(2015))。OAM涡旋复用技术的优势包括：1)理论上光场具有无数个OAM模式数，为大规模的MDM提供了基础；2)不同OAM模式数的涡旋光束间相互正交，可最大限度地降低在同轴传输时不同信道间的串扰；3)OAM涡旋复用不占用频段和偏振资源，可进一步提升通信系统容量；4)相较于传统无线光通信，具有更好的保密性。因此，OAM涡旋复用技术可为拓宽无线激光通信容量打开新的局面。

然而，涡旋光束的远距离光通信存在以下问题：1)产生装置复杂，集成度较低；2)发射功率较低，导致接收端信号弱；3)系统扩展性差、效率低。现有主要基于空间光学变换来实现OAM模式复用及解复用，系统结构复杂，且OAM模式复用输出光束横截面较小，需要配备较大口径望远镜和提升输出功率，来满足远距离无线通信的应用需求。基于平面波导器件的OAM模式复用/解复用方法集成度高、可靠性好，且可与光纤器件相融合。相干孔径阵列技术可以兼顾发射、接收及自适应校正功能，同时可通过拼接扩展实现等效大口径，提升发射功率和接收效率，并被证明可用于产生涡旋光束(T.Hou,et al.,“High-power vortexbeam generation enabled by a phased beam array fed at the non-focal plane,”Optics Express,27(4),4046-4059(2019))。将两者进行结合，有望产生一种模块化、可扩展、结构简单、效率高的OAM模式复用/解复用方法。

本发明基于多孔径阵列光束衍射相干叠加原理，结合平面波导OAM模式分类器，提出一种能够通过由光纤准直器阵列、传输光纤、集成波导模块、相位控制模块所构成的系统来生成OAM涡旋光束的办法和装置，并实现不同模式OAM光束的复用/解复用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有涡旋光束产生及复用/解复用技术在系统结构复杂、扩展性差的缺点；解决现有系统发射功率低、接收效率低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置，包括光纤准直器阵列、传输光纤、集成波导模块、相位控制模块，其中：

光纤准直器阵列由多孔径阵列组成，光纤端面置于准直器透镜焦面上，实现激光束由自由空间至单模光纤的耦合接收或反向准直发射；传输光纤为单模保偏光纤；集成波导模块包括波导移相器、平面波导OAM模式分类器，平面波导OAM模式分类器将线性排列的多组光束耦合到对应OAM模式数输出端口或反向将单光束分成多组能量均匀、相位线性排列的光束从阵列端输出；两组波导移相器在优化算法的闭环控制下用于补偿路径差异导致的活塞相位差，保证到达平面波导OAM模式分类器时各光束的相位分布，与阵列接收平面处OAM涡旋光束在各子孔径上的平均相位分布保持一致；相位控制模块由回光采样器、光纤环形器、探针激光器、光电探测器及控制器构成。探针激光器发出激光，经光纤环形器传输至集成光学模块的中心耦合器端口，经星型耦合器分光成多路光束，各光束经热调移相器和传输光纤传导至各路光纤准直器中，回光采样器将部分准直光束反射回来，沿原路返回的采样光束最终汇集在中心耦合器端口处，并经光纤环形器达到光电探测器上，其采集到的电压作为相位控制模块的性能指标，来计算出锁相控制相位，控制热调移相器以使得性能指标最大化，进而补偿路径差异。集成光学模块左端各耦合器端口分别与光纤准直器阵列各单元通过传输光纤连接，右端中心耦合器端口与光纤环形器的共同端口通过传输光纤相连，探针激光器通过传输光纤与光纤环形器的输入端口相连，光电探测器通过传输光纤与光纤环形器的输出端口相连，光电探测器与控制器电线连接，相位控制模块与两组热调移相器通过电线连接。

进一步地，孔径阵列排布方式为二维平面排布，可以是环形、正六边形、正方形、三角形或其他不规则排列，需合理配置与孔径阵列相连的传输光纤的排序方式，将极坐标下角向分布的OAM变换成线性排列。

进一步地，平面波导OAM模式分类器包括但不限于星型耦合器，将并行排列且带有倾斜相位的阵列接收光束，全部从与倾斜相位斜率对应的OAM模式数输出端口输出并耦合进各自光纤里(或反向传输，从不同OAM模式数的平面波导OAM模式分类器端口输入，衍射到平面波导OAM模式分类器阵列端形成并行排列且带有倾斜相位的阵列光束)，根据实际使用需求合理设计平面波导OAM模式分类器的参数，使平面波导OAM模式分类器两端光束能量是均匀的，且阵列端光束相位是线性排布，保证不同OAM模式间不发生串扰或者只产生有限的OAM模式串扰。

进一步地，波导移相器包括但不限于热调移相器、电调移相器等，用于补偿并锁定系统内部光程差。阵列出射端口至每路回光采样器的光程差异被一组波导移相器相位锁定；阵列出射平面到回光装置的固定光程差由另一组波导移相器补偿；当系统工作时，输出光束将在阵列出射平面处实现相位锁定。

进一步地，相位控制模块中控制器锁相使用的优化控制算法包括但不限于随机并行梯度下降算法、爬山法、多抖动法、单抖动法、遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法、神经网络算法、进化算法。

进一步地，回光采样器包括但不限于角锥、离轴抛物面镜、平面衍射元件等，将反射探针激光作为闭环控制信号。

进一步地，在复用及解复用时，应当使用多层孔径阵列控制方案，增大等效发射和接收面积；通过不同层单元间的锁相控制，在多层孔径构成的相干孔径阵列上实现统一的OAM涡旋光产生及复用/解复用。

本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、本发明收发一体，既能发射并复用涡旋光束，也能接收并解复用涡旋光束。

2、本发明系统简单，扩展性强，能够增加等效发射和接收口径，造价便宜。

3、本发明根据相干合成原理在闭环控制下能够提升产生的涡旋光束质量和功率。

4、本发明在部分准直器损坏后仍能继续工作，不会失灵。

附图说明

图1是相干孔径阵列涡旋光束产生及复用/解复用方案图；

图2是衍射型平面波导星型耦合器原理图；

图3是一种光纤激光束准直与回光采样方法和采样装置示意图；

图4是多层孔径阵列共相控制方案示意图；

图5是平面波导分类器强度分布不均匀度为15％下的OAM谱展宽；

图6是l＝1、l＝2和l＝3三种OAM模式的复用和传输后解复用的仿真；

图7是不同接收圆环半径下解复用出来的OAM模式归一化强度比例。

具体实施方式

下面结合附图，并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而不应理解为对本发明保护范围的任何限定。

本发明在具体实施时的基本系统结构与连接方式如图1所示，具体器件包括光纤准直器、回光采样器、传输光纤、热调移相器、星型耦合器、光纤环形器、探针激光器、光电探测器、控制器。光纤端面置于准直器透镜焦面上，光纤准直器排列成环形多孔径阵列，将实现激光束由自由空间至单模光纤的耦合接收(或反向准直发射)。根据各个孔径光束相位自小到大依次与从下到上排列的两组热调移相器相连；两组热调移相器紧连着星型耦合器左边各端口，组成集成光学模块；多路接收至单模光纤中的光束被耦合进集成光学模块中，经过两级热调移相器进入星型耦合器；带有倾斜相位的阵列接收光束，全部从与倾斜相位斜率对应的星型耦合器右边各端口输出对应模式的涡旋光束；端口(l＝0)通过光纤环形器与探针激光器、光电探测器相连，光电探测器又与控制器相连，控制器采用SPGD算法控制两组波导移相器；通过采集置于纤准直器内的回光采样器信号控制两组热调移相器形成闭环控制，补偿路径差异导致的活塞相位差，保证到达星型耦合器时各光束的相位分布与阵列接收平面处模式数为l的涡旋光束在各子孔径上的平均相位分布保持一致。

上述为阵列孔径接收OAM涡旋光束时的实施方式。当OAM模式复用光束到达阵列接收平面处时，不同模式数的OAM光束将从集成光学模块的不同端口输出，并耦合进各自光纤里，实现解复用。当光路逆向运行，在星型耦合器右边端口输入与接收频率相同的不同束信号光时，各路单独光束将在阵列出射平面上产生不同模式数l的OAM光束，实现OAM光束的复用。这里利用光纤环形器来区分每个信道上的接收和发射信号光。

如图1，方案系统中包括包括光纤准直器阵列、传输光纤、集成光波导模块(波导移相器如热调移相器、平面波导OAM模式分类器如星型耦合器)、相位控制模块(回光采样器、光纤环形器、探针激光器、光电探测器、控制器)。具体技术路线为：孔径阵列由环形排布的光纤准直器组成，光纤端面置于准直器透镜焦面上，实现激光束由自由空间至单模光纤的耦合接收(或反向准直发射)。根据孔径阵列排布方式，合理配置与孔径阵列相连的传输光纤的排序方式，将极坐标下角向分布的OAM变换成线性排列。从孔径阵列接收OAM涡旋光束的角度来看，自下而上接收光束对应的相位是递增的。多路接收至单模光纤中的光束被耦合进集成光学模块中，经过两级波导移相器进入平面波导分类器。这里设置两级波导移相器是为了补偿路径差异导致的活塞相位差，保证到达平面波导分类器时各光束的相位分布，与阵列接收平面处模式数为l的OAM涡旋光束在各子孔径上的平均相位分布保持一致。平面波导分类器将并行排列且带有倾斜相位的阵列接收光束，全部从与倾斜相位斜率对应的OAM模式数输出端口l输出。当阵列接收光束为平面波时(l＝0)，接收光束将全部从中间耦合器端口输出。上述为阵列孔径接收OAM涡旋光束时的工作过程，当OAM模式复用光束到达阵列接收平面处时，不同模式数的OAM光束将从集成波导模块的不同端口输出，并耦合进各自光纤里。当光路逆向运行，在平面波导分类器右边端口输入与接收频率相同的不同束信号光时，各路单独光束将在阵列出射平面上产生不同模式数的OAM光束，同时实现OAM光束的复用。这里可以利用光纤环形器来区分每个信道上的接收和发射信号光。

这里应用到的平面波导OAM模式分类器(如星型耦合器)基于多孔径阵列光束衍射相干叠加原理，如图2所示。任一输入波导光束经过中间的衍射区后，被输出波导阵列接收。输出波导阵列在以O为圆心、半径R的圆弧上，输入波导是在以O′为圆心、半径为R的圆弧上，θ_m和θ_k分别为相应第m路输入和第k路输出波导关于圆心的夹角。合理设计θ_m和θ_k，使得k端口输入光束至m端口的路径长度L_m-k相对半径R的光程差φ_m-k＝2πn_s(L_m-k-R)/λ满足如下条件：

其中n_s为波导折射率，λ为工作波长，N为阵列单元数。OAM光束在每个子孔径上的平均相位为：

在相应输出端口l上的复振幅为：

其中，A_m-k为端口k处的输入光束至输出端口m的振幅传递系数。当A_m-k对任意的m、k值都相同的情况下，当且仅当l＝m-(N-1)/2时，A_l不为零。这说明模式数为l的OAM涡旋光束将全部从与其对应的m＝l+(N-1)/2端口输出。根据光路可逆原理，从输出端口m反向输入的光束，将在阵列平面处产生模式数为l的OAM涡旋光束。这里需要平面波导分类器的输入光束能量是均匀的，同时其经衍射后在输出端口处也是均匀的，才能保证不同OAM模式间不发生串扰。实际上，当该不均匀性保持在一定范围内，只产生有限的OAM模式间串扰。

上述相干多孔径阵列涡旋光束产生及复用/解复用方案流程中，并不需要保证模式数l＝0端口的出射光束，在到达阵列出射平面上各路光程严格一致，只需要保证光程差异对应的相位差锁定到2π整数倍即可。如图1中所示，通过环形器，从l＝0输出端口处输入探针光束，该光束经过平面波导分类器均分成N路光束，再经光纤传输，被准直器透镜准直输出。采用如图3所示的回光采样器，将部分发射空余光束按原路返回至l＝0端口。以该端口光强作为性能指标，采用优化算法对施加至波导移相器组1的电压进行迭代运算，最终使得性能指标最大化，而从l＝0端口至每路回光采样器的光程差异被相位锁定。为进一步实现l＝0端口至阵列出射平面处的相位锁定，需要对图中额外的固定相位差2π(L_o-L_c)/λ(L_o为光纤端面至准直透镜光程，L_c为光纤端面至回光采样器的光程)进行补偿。可通过离线标定的方式，将阵列出射光束通过透镜聚焦到远场处，采用相同的闭环控制方式，实现远场轴上光强最优化和阵列出射平面处的相位锁定。此时波导移相器组1上执行的相位，与锁相至回光采样器的相位，两者之间的差异就是固定的相位差。该相位值将由波导移相器组2执行，这样当系统工作时，输出光束将在阵列出射平面处实现相位锁定。

图1中所述涡旋光产生及复用/解复用方案是在单环形多孔径上进行的，在实际应用中，为了增大等效发射和接收面积，项目将采用如图4所示的多层孔径阵列控制方案。结合图1所示方案，在各层多孔径上并行实现OAM涡旋光产生及复用/解复用通道的同时，通过不同层单元间的锁相控制，在多层孔径构成的相干孔径阵列上实现统一的OAM涡旋光产生及复用/解复用。

通过数值模拟，仿真了平面波导分类器的不同端口输出光强差异在15％以内时，其OAM谱展宽的结果，如图5所示，信噪比都在19dB以上，能够满足通信需求。复用与解复用仿真结果如图6所示，成功复用模式数分别为1，2，3三种涡旋光束并在获得远场光强和相位分布后解复用；图7给出了解复用出来的不同OAM模式光束归一化光强结果，不同接收圆环半径下解复用出来的光强比例有所变化，但不同OAM模式间串扰还是较低。

至此，本发明完成了对一种大规模光纤激光合束及耦合阵列的高速处理电路的详细描述。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置，其特征在于：包括光纤准直器阵列、传输光纤、集成波导模块及相位控制模块，其中：

光纤准直器阵列由多孔径阵列组成，光纤端面置于准直器透镜焦面上，实现激光束由自由空间至单模光纤的耦合接收或反向准直发射；传输光纤为单模保偏光纤；集成波导模块包括两组波导移相器、平面波导OAM模式分类器，平面波导OAM模式分类器将线性排列的多组光束耦合到对应OAM模式数输出端口或反向将单光束分成多组能量均匀、相位线性排列的光束从阵列端输出；两组波导移相器在优化算法的闭环控制下用于补偿路径差异导致的活塞相位差，保证到达平面波导OAM模式分类器时各光束的相位分布，与阵列接收平面处OAM涡旋光束在各子孔径上的平均相位分布保持一致；相位控制模块由回光采样器、光纤环形器、探针激光器、光电探测器及控制器构成；探针激光器发出激光，经光纤环形器传输至集成光学模块的中心耦合器端口，经星型耦合器分光成多路光束，各光束经热调移相器和传输光纤传导至各路光纤准直器中，回光采样器将部分准直光束反射回来，沿原路返回的采样光束最终汇集在中心耦合器端口处，并经光纤环形器达到光电探测器上，其采集到的电压作为相位控制模块的性能指标，来计算出锁相控制相位，控制热调移相器以使得性能指标最大化，进而补偿路径差异；集成光学模块左端各耦合器端口分别与光纤准直器阵列各单元通过传输光纤连接，右端中心耦合器端口与光纤环形器的共同端口通过传输光纤相连，探针激光器通过传输光纤与光纤环形器的输入端口相连，光电探测器通过传输光纤与光纤环形器的输出端口相连，光电探测器与控制器电线连接，相位控制模块与两组热调移相器通过电线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置，其特征在于：孔径阵列排布方式为二维平面排布，可以是环形、正六边形、正方形、三角形或其他不规则排列，需合理配置与孔径阵列相连的传输光纤的排序方式，将极坐标下角向分布的OAM变换成线性排列。

3.根据权利要求1所述的一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置，其特征在于：平面波导OAM模式分类器包括星型耦合器，将并行排列且带有倾斜相位的阵列接收光束，全部从与倾斜相位斜率对应的OAM模式数输出端口输出并耦合进各自光纤里或反向传输，从不同OAM模式数的平面波导OAM模式分类器端口输入，衍射到平面波导OAM模式分类器阵列端形成并行排列且带有倾斜相位的阵列光束，根据实际使用需求合理设计平面波导OAM模式分类器的参数，使平面波导OAM模式分类器两端光束能量是均匀的，且阵列端光束相位是线性排布，保证不同OAM模式间不发生串扰或者只产生有限的OAM模式串扰。

4.根据权利要求1所述的一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置，其特征在于：波导移相器包括热调移相器、电调移相器，用于补偿并锁定系统内部光程差；阵列出射端口至每路回光采样器的光程差异被一组波导移相器相位锁定；阵列出射平面到回光装置的固定光程差由另一组波导移相器补偿；当系统工作时，输出光束将在阵列出射平面处实现相位锁定。

5.根据权利要求1所述的一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置，其特征在于：相位控制模块中控制器锁相使用的优化控制算法包括随机并行梯度下降算法、爬山法、多抖动法、单抖动法、遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法、神经网络算法及进化算法。

6.根据权利要求1所述的一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置，其特征在于：回光采样器包括角锥、离轴抛物面镜及平面衍射元件，将反射探针激光作为闭环控制信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于相干孔径阵列涡旋光束产生及复用、解复用装置，其特征在于：在复用及解复用时，应当使用多层孔径阵列控制方案，增大等效发射和接收面积；通过不同层单元间的锁相控制，在多层孔径构成的相干孔径阵列上实现统一的OAM涡旋光产生及复用/解复用。

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