CN114301523A

CN114301523A - 一种基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测和校正装置

Info

Publication number: CN114301523A
Application number: CN202111665968.2A
Authority: CN
Inventors: 兰斌; 唐奥; 沈锋; 刘超; 陈莫
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114301523B

Abstract

本发明公开了一种基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测和校正装置，基于轨道角动量的空间光通信中，由于实验中发射和接收平台抖动以及大气湍流引入光束漂移导致OAM模式之间的串扰和退化，使得系统存在较大的误码率。本发明提出了使用两个倾斜镜结合空间自滤波的方法来进行涡旋光指向误差校正。通过对探测光强分布进行空间自滤波获得涡旋光束的奇点位置，从而计算其离轴量，并反馈控制一个倾斜镜进行光瞳校正。通过探测其远场质心，计算其倾斜量，并反馈控制另一个倾斜镜进行光轴校正。该方法通过使用两个倾斜可以实现涡旋光的高精度跟瞄，降低误码率，提高通信系统的性能，在空间光通信领域有很大的应用前景。

Description

一种基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测和校正装置

技术领域

本发明属于光束探测、空间光通信领域，具体涉及一种使用两个倾斜镜来同时校正涡旋光束的光瞳和光轴技术。

背景技术

涡旋光束是一种具有连续螺旋相位分布、光束中心为相位奇点、中心光强始终为零的光束，又称暗中空光束，光束传播过程中光强呈现为环状分布。这种光束的每个光子具有

大小的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)，其中l叫做拓扑荷数或模式数。由于涡旋光束具有这些特殊的性质，使其得到了广泛的应用，比如光通信，光学加工，光学加密和粒子捕获等领域。

尤其是在通信领域，涡旋光束各模式之间是相互正交的，在增加信道容量上具有很大的潜力，有望突破香农极限。2004年美国加利福尼亚大学的G.Gibson等人实验验证了了涡旋光束的空间无线通信能力，单光子编码容量为3bit。随着复用/解复用技术的发展，2011年美国南加利福尼亚大学的Alan E.Willner教授团队提出并验证了自由空间光通信数据链路中的4个不同OAM波束的复用/解复用，实现了12.8bit/s/Hz的频谱效率，在实验室条件下光束在自由空间中传播～1m的距离串扰<-20dB，OSNR损失<2.4dB。后来，他们团队将OAM复用与波分复用和偏振复用结合，将信道容量提升到100.8T/bit。在实验室外环境的OAM远距离大容量光通信方面，Alan E.Willner教授团队在2016年在两座相距30m的高楼之间实现120m、400Gbit/s的光通信，OSNR大于21dB时误码率小于3.8×10^-3[15]。在2017年该团队进一步实现了无人机与地面100m、80Gbit/s的光通信，但试验中误码率大于7％。上述研究中，室外的OAM空间无线光通信存在较大的误码率，这很大程度是由于实验中发射和接收平台抖动以及大气湍流引入光束漂移造成的，导致解码后OAM模式之间的串扰和退化。不同于传统高斯激光光通信，基于涡旋光光通信的跟瞄不仅需要校正轴，还需要同时校正瞳，即同时校正光束的离轴量和倾斜量。目前，还没有较好的方法进行涡旋光束指向误差的实时高精度探测和校正。

发明内容

本发明旨在解决上述研究中存在的不足，提出了基于空间自滤的涡旋光束指向误差探测及校正技术。由于涡旋光束为中心暗的光强分布，在相机上不能通过探测光强质心获得其准确位置，因此，引入空间自滤波技术，使得涡旋光束中心经过滤波之后，成为强度最强的点。由于需要同时校正光束的光瞳和光轴，因此，在光路中引入两个倾斜镜来进行校正。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测及校正装置，包括第一倾斜镜1、第一分光镜2、第一相机3、第一透镜4、第二透镜5、第二倾斜镜6、第二分光镜7、第三透镜8和第二相机9，其中，第一倾斜镜1后放置第一分光镜2，第一分光镜2的一侧放置第一相机3，另一侧依次放置第一透镜4、第二透镜5、第二倾斜镜6，第二倾斜镜6后放置第二分光镜7，第二分光镜7一侧作为输出，另一侧依次放置第三透镜8和第二相机9。

进一步地，第一倾斜镜1，第一分光镜2和第一相机3组成的系统用于校正入射涡旋光束的光瞳。

进一步地，第一透镜4，第二透镜5，第二倾斜镜6，第二分光镜7、第三校正透镜8和第二相机9组成的校正系统用于校正入射涡旋光束的光轴。

进一步地，所述的第一相机3，用于接收入射的涡旋光束，并采用空间自滤波技术来探测涡旋光束的中心奇异点位置。

进一步地，所述的第一透镜4、第二透镜5组成共轭匹配系统。

进一步地，所述的第一相机3和第二倾斜镜6位于第一透镜4、第二透镜5组成的共轭匹配系统的两个共轭面上。

进一步地，所述的第一相机3用于探测第一分光镜2反射的涡旋光光场，采用空间自滤波技术使中心奇异点可高精度探测，从而测量入射涡旋光束的光瞳偏移量。

进一步地，所述的第二相机9用于探测第三透镜8聚焦的光场，并测量入射涡旋光束的光轴倾斜量。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的可以同时校正OAM空间光通信中的涡旋光束的光瞳和光轴，降低误码率。

(2)本发明的采用的倾斜镜，具有高调制速率，可以实时校正。

(3)本发明还可以应用于其他有光强特征点的结构光束跟瞄。

(4)本发明有利于涡旋光束空间通信的实际应用，可操作性强。

附图说明

图1为本发明的一种基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测和校正装置示意图。

图2为接收涡旋光束的振幅和相位分布示意图，其中，图2(a)为接收的涡旋光束的光强，图2(b)是接收的涡旋光束的相位。

图3为第一相机3探测的图像和第二相机9探测的图像的示意图，其中，图3(a)为第一相机3探测光强自滤波后的图像，3(b)为第二相机9探测的经第三透镜8聚焦的图像。

图4为校正之后的涡旋光束的振幅和相位示意图，其中，图4(a)为校正之后的涡旋光束的强度分布，4(b)为校正之后的涡旋光束的相位。

图5为，其中，图5(a)为校正之前涡旋光束的归一化OAM谱分布，图5(b)为校正之前涡旋光束的归一化OAM谱分布。

图1中：1-第一倾斜镜；2-第一分光镜；3-第一相机；4-第一透镜；5-第二透镜；6-第二倾斜镜；7-第二分光镜；8-第三透镜；9-第二相机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细描述。

在基于OAM的空间光通信中，接收器接收的涡旋光束往往存在着指向误差，目前的技术手段只能校正光轴，但对于基于OAM涡旋光模分复用的光通信链路，光瞳偏移也会引入模间串扰，增加误码率，因此，本发明采用两个倾斜镜来同时校正涡旋光束的光瞳和光轴。如图1所示，为本发明提出的基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测及校正技术的装置示意图，包括第一倾斜镜1、第一分光镜2、第一相机3、第一透镜4、第二透镜5、第二倾斜镜6、第二分光镜7、第三透镜8和第二相机9。其中，第一倾斜镜1后放置第一分光镜2，第一分光镜2的一侧放置第一相机3，另一侧依次放置第一透镜4、第二透镜5、第二倾斜镜6，第二倾斜镜6后放置第二分光镜7，第二分光镜7一侧作为输出，另一侧依次放置第三透镜8和第二相机9。第一倾斜镜1，第一分光镜2和第一相机3组成的系统用于校正入射涡旋光束的光瞳。第一透镜4，第二透镜5，第二倾斜镜6，第二分光镜7、第三校正透镜8和第二相机9组成的校正系统用于校正入射涡旋光束的光轴。所述的第一相机3，用于接收入射的涡旋光束，并采用空间自滤波技术来探测涡旋光束的中心奇异点位置。所述的第一透镜4、第二透镜5组成共轭匹配系统。所述的第一相机3和第二倾斜镜6位于第一透镜4、第二透镜5组成的共轭匹配系统的两个共轭面上。所述的第一相机3用于探测第一分光镜2反射的涡旋光光场，采用空间自滤波技术使中心奇异点可高精度探测，从而测量入射涡旋光束的光瞳偏移量。所述的第二相机9用于探测第三透镜8聚焦的光场，并测量入射涡旋光束的光轴倾斜量。图1中虚线表示系统的光轴，实线表示系统接收的具有指向误差的涡旋光束，其不光偏离了系统光轴，还引入了光瞳偏移，其表达式为：

式中，A₀'(r,θ)表示离轴的振幅，r表示极坐标中的极径，θ表示极坐标中的极角，i为虚数单位，l表示涡旋光拓扑荷数，

表示引入的倾斜相位函数。

图1中，第一相机用于探测接收的涡旋光束的中心奇异点位置，但涡旋光强度分布图中奇异点随着传输强度始终是个暗点，将接收的错位的涡旋光束作为空间滤波函数对强度图进行空间滤波，通过探测滤波后强度分布图中的“质心”位置为涡旋光中心奇异点位置，确定涡旋光束光瞳偏移量，实现涡旋光光瞳实时检测。光强信息可以通过空间自滤波增强或者衰减，其计算公式如下：

I_{0_sf}(r,θ)＝I₀(r,θ)×{I₀(r,θ)}^Γ (2)

其中，I₀(r,θ)＝E₀'(r,θ)×E₀'(r,θ)^*，r表示极坐标中的极径，θ表示极坐标中的极角，Γ表示自滤波倍数，当Γ＞0时，自滤波将会增强光强强的区域，并衰减光强弱的区域。相反，当Γ＜0时，自滤波将增强光强弱的位置，并且衰减光强强的位置。当Γ<-1时，第一相机采集的图像经过滤波之后，涡旋光束中心从强度最弱点变为强度最强点，通过探测滤波后强度分布图中的“质心”位置获得涡旋光中心奇异点位置，确定涡旋光束光瞳偏移量，将探测光瞳偏移量反馈给第一倾斜镜，控制倾斜镜的倾斜角度将涡旋光束的中心位置移至标定的中心位置，完成光瞳校正。

第二相机采集经第三透镜聚焦的涡旋光束远场光场，通过计算远场光场的质心，可以得到涡旋光束的光轴倾斜量，并反馈控制第二倾斜镜，来完成光轴校正。通过采用两个倾斜镜，可以实时校正涡旋光束指向误差，实现涡旋光束的高精度跟瞄。

实施例1：本实施例展示了接收的拓扑荷数l＝1的涡旋光束，具有x光瞳偏移量0mm，y光瞳偏移量1.905mm，x光轴倾斜量0，y光轴倾斜量0.914′，并使用两个倾斜镜进行校正。

图2展示了接收涡旋光束的振幅和相位分布，图2(a)为接收的涡旋光束的光强，图2(b)是接收的涡旋光束的相位，从图2中可以看出，其光束偏离了系统光瞳，相位中携带了倾斜相位，即入射光存在指向误差。第一相机用于探测涡旋光束的空间位置，通过对采集到的涡旋光束光强进行空间自滤波，得到了图3(a)所示的强度分布，经过滤波后，涡旋光束中心奇异点位置的强度最强，因此，可以通过探测滤波后强度分布图中的“质心”位置获得涡旋光中心奇异点位置，确定涡旋光束光瞳偏移量。图3(b)为第二相机采集得到的图像，通过计算远场的质心分布，可以得到涡旋光束的光轴倾斜量。

分别将计算得到的光瞳偏移量和光轴倾斜量反馈给第一倾斜镜和第二倾斜镜进行校正，校正之后的涡旋光束的振幅和相位如图4所示，图4(a)为校正之后的涡旋光束的强度分布，4(b)为校正之后的涡旋光束的相位，从图4(b)中可以看出，校正之后的涡旋光束位于标定位置，相位分布是螺旋相位，没有倾斜。图5(a)展示了校正之前涡旋光束的归一化OAM谱分布，图5(b)展示了校正之后涡旋光束的归一化OAM谱分布。从图5(b)中可以看出，校正之后的l＝1涡旋光束模间串扰低于-45dB。

从上述实施例可以看出，在空间光通信中，由于大气湍流和振动造成的涡旋光束的指向误差，可以使用两个倾斜镜结合空间自滤波的方法来进行校正。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求保护范围内。

Claims

1.一种基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测和校正装置，其特征在于：包括第一倾斜镜(1)、第一分光镜(2)、第一相机(3)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、第二倾斜镜(6)、第二分光镜(7)、第三透镜(8)和第二相机(9)，其中，第一倾斜镜(1)后放置第一分光镜(2)，第一分光镜(2)的一侧放置第一相机(3)，另一侧依次放置第一透镜(4)、第二透镜(5)、第二倾斜镜(6)，第二倾斜镜(6)后放置第二分光镜(7)，第二分光镜(7)一侧作为输出，另一侧依次放置第三透镜(8)和第二相机(9)。

2.根据权利要求1所述的基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测及校正装置，其特征在于：第一倾斜镜(1)，第一分光镜(2)和第一相机(3)组成的校正系统用于校正入射涡旋光束的光瞳。

3.根据权利要求1所述的基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测及校正装置，其特征在于：第一透镜(4)，第二透镜(5)，第二倾斜镜(6)，第二分光镜(7)、第三校正透镜(8)和第二相机(9)组成的校正系统用于校正入射涡旋光束的光轴。

4.根据权利要求1所述的基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测及校正装置，其特征在于：第一相机(3)，用于接收入射的涡旋光束，并采用空间自滤波来探测涡旋光束的中心奇异点位置。

5.根据权利要求1所述的基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测及校正装置，其特征在于：第一透镜(4)、第二透镜(5)组成共轭匹配系统。

6.根据权利要求1所述的基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测及校正装置，其特征在于：第一相机(3)和第二倾斜镜(6)位于第一透镜(4)、第二透镜(5)组成的共轭匹配系统的两个共轭面上。

7.根据权利要求1所述的基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测及校正装置，其特征在于：第一相机(3)用于探测第一分光镜(2)反射的涡旋光光场，采用空间自滤波技术使中心奇异点可高精度探测，从而测量入射涡旋光束的光瞳偏移量。

8.根据权利要求1所述的基于空间自滤波的涡旋光束指向误差探测及校正装置，其特征在于：第二相机(9)用于探测第三透镜(8)聚焦的光场，并测量入射涡旋光束的光轴倾斜量。