CN114584220A - 一种基于光斑识别的非正交偏振编码方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光斑识别的非正交偏振编码方法，涉及光通信领域。将生成的矢量光束作为系统的激光光源输入，在激光光源的光路上依次设置四分之一波片、可旋转的线性偏振片作为编码器件，使输入的激光先经过一角度为+45°的四分之一波片使其具有更多的线偏振成分；再经过一个可旋转的线性偏振片，通过计算机控制电机旋转偏振片对信息进行编码；编码后的信息经过一透镜成像，在其傅里叶面上用CCD相机采集以分析其远场信息，对采集到的信息使用已训练的卷积神经网络进行分类，实现非正交信息的编解码。利用密集的非正交偏振信息提高编码方法的信息量的通讯场景，对于将偏振编码技术扩展到非正交的维度上有一定的应用价值。

Description

一种基于光斑识别的非正交偏振编码方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其是涉及一种基于光斑识别的非正交偏振编码方法。

背景技术

光场不同的自由度被广泛的应用在信息的编码和传输之中，并对光通信的信道容量的提升产生巨大的帮助。振幅、时间、波长、偏振、相位等独立的自由度，都被分别应用到光场的空间编码和复用之中(Winzer P J.Making spatial multiplexing a reality[J].Nature Photonics,2014,8(5):345-348.)。例如在光通信的诸多编码方案中，偏振编码几乎是最早提出也是应用最广泛的编码方案，以非线性效应作为理论基础的偏振调制器被应用于偏振态的高频调制之中(Bull J D,Jaeger N A F,Kato H,et al.40-GHz electro-optic polarization modulator for fiber optic communications systems[C]//Photonics North2004:Optical Components and Devices.International Society forOptics and Photonics,2004,5577:133-143.)，4-PolSK等编码方式通过一个符号编码多位二进制信息来提高单个偏振编码的容量(范嘉煜,黄肇明,王陆唐.偏振移位键控(PolSK)技术的研究与应用[J].第三届中国光通信技术与市场研讨会论文集,2003.)。同样，在通信中还有偏振分复用(Hill P M,Olshansky R,Burns W K.Optical polarization divisionmultiplexing at4Gb/s[J].IEEE photonics technology letters,1992,4(5):500-502.)、偏振波分复用(Lemoff B E,Ali M E,Panotopoulos G,et al.Demonstration of acompact low-power250-Gb/s parallel-WDM optical interconnect[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters,2004,17(1):220-222.)等经典的空间复用技术来成倍的提高通信系统的信道容量。然而，从光场空间偏振方向操控的连续性出发，小角度差的偏振操控理论上仍然可以给单个偏振编码的容量带来很大的提升。

近些年来，光场的空间结构调控领域为空间偏振结构的分布带来新的可能性。垂直于光轴方向的横向偏振分布奇异的矢量光场也在编码和复用中有了新颖的有应用。Giovanni Milione等人利用Q-plate、Dove棱镜、和MZ干涉仪构建的泡利算符对四束不同的矢量光束进行光学区分，并基于该工作实现单偏振编码的2bits编码(Milione G,Nguyen TA,Leach J,et al.Using the nonseparability of vector beams to encodeinformation for optical communication[J].Optics letters,2015,40(21):4887-4890.)，和四路矢量光束复用和解复用的光纤通信(Milione G,Lavery M P J,Huang H,etal.4×20Gbit/s mode division multiplexing over free space using vector modesand a q-plate mode(de)multiplexer[J].Optics letters,2015,40(9):1980-1983.)。Zhao等人利用径向偏振的矢量光束以及其高阶矢量光束在竖直偏振方向的不同强度投影图案做编码进行信息的传输(Zhao Y,Wang J.High-base vector beam encoding/decoding for visible-light communications[J].Optics Letters,2015,40(21):4843-4846.)。Chen等人利用超构表面实现对不同结构的矢量光束产生不用角度的出射，以实现矢量光束在解码或者复用方面的区分(Chen S,Xie Z,Ye H,et al.Cylindrical vectorbeam multiplexer/demultiplexer using off-axis polarization control[J].Light:Science&Applications,2021,10(1):1-9.)。目前矢量光场在通信方面的研究工作都还只关注简单结构的矢量光场，偏振编码的信息容量还没有被完全开发。

发明内容

本发明的目的在于提供实现小角度差，借用机器学习分类算法辅助的偏振态识别解码完成自由空间光通信过程的一种基于光斑识别的非正交偏振编码方法。适用于在传统的正交偏振编码方法所编码的信息量无法满足使用需求时，进一步利用密集的非正交偏振信息去提高编码方法的信息量的通讯场景。

本发明具体包括以下步骤：

1)将生成的矢量光束作为系统的激光光源输入，在激光光源的光路上依次设置四分之一波片、可旋转的线性偏振片作为编码器件，使输入的激光先经过一角度为+45°的四分之一波片使其具有更多的线偏振成分；再经过一个可旋转的线性偏振片，通过计算机控制电机旋转偏振片对信息进行编码；

2)编码后的信息经过一透镜成像，在其傅里叶面上用CCD相机采集以分析其远场信息，对采集到的信息使用已训练的卷积神经网络进行分类，实现非正交信息的编解码。

在步骤1)中，所述矢量光束是利用由一个偏振分束立方、两个反射镜和一台空间光调制器构成Sagnac干涉仪来产生的；将一个任意偏振方向的线偏光入射，并对该入射光的水平和竖直偏振态分别进行不同的强度和相位调控，然后让调控后的带有不同强度和相位结构的线性偏振光束通过快轴方向与水平成+45°夹角的四分之一波片生成所需的矢量光束；

进一步的，所述矢量光束的生成，具体包括以下步骤：

(1)入射光偏振态调控：通过一个通光轴沿水平方向的线性偏振片滤出水平偏振的激光，之后通过一个可旋转的半波片来调节入射光的水平和竖直偏振成分的比例；

(2)水平和竖直分量的强度与相位结构的分别调控：利用偏振分束立方分离入射光的水平和竖直分量，在Sagnac干涉仪的双向往返的光路中，根据空间光调制器只对水平偏振态的入射光敏感的特性，配合半波片对两束入射光进行调控，最终携带强度和相位信息的两束光在入射的偏振分束立方上合束并出射；

(3)出射的结构光束经过快轴方向与水平成+45°夹角的四分之一波片，转换成对应的左右旋圆偏振光，产生所需的具有不同强度和相位结构的左右旋圆偏光；该光场的偏振分布与光束横向空间的位置相关，通过一个不同取向的线性偏振片可以滤出不同的强度图案，实现偏振片偏振角度的可视化。

在步骤2)中，所述实现非正交信息的编解码的具体步骤可为：

(1)对制备完成的矢量光束通过旋转偏振片经过不同角度的方式进行调制，得到一组用于编码的强度图案基矢，并在接收端采集对应的光强图案用于解码系统卷积神经网络的训练，记录偏振片取向角度和强度图案的对应关系，留做实际解码过程使用；

(2)选择要传输的信息，根据其信息量用与编码图案基矢个数对应的位数进制来表示，将对应信息在编码端PC输入控制电动转台中的偏振片转动完成编码，并在接受端采集对应的强度图案；

(3)完成传输后将收集到的强度图案输入训练完成的卷积神经网络之中，恢复成图案对应的数值，并利用这些数值重构传输的信息，根据重构信息与发送端信息的差异性来对系统的性能进行评测。

与现有技术相比，本发明具有以下突出的优点和技术效果：

1、本发明将偏振片的偏振角度应用于非正交的偏振编解码过程中。同时，如果降低入射的矢量光束的空间结构的对称性，就可以使通过不同取向偏振片的强度图案的区分度提高，即可以提高偏振编码的精度和可编码信息量。本发明利用复杂矢量光场中不同偏振测量下获取的光场结构不同，基于光斑结构的识别可获取相应的偏振信息，实现非正交偏振编码。

2、本发明利用复杂矢量光束赋予小角度差的偏振编码被解码的可能性的方法，并采用机器学习分类算法对编码信息进行解码和恢复，实现自由空间中密集的非正交偏振编解码的通信。适用于在原本用正交偏振编码的通信过程中，数十倍或者数百倍地提高编码信息量，进一步的提高通信系统的信道容量。偏振编码的研究在偏振的调制速度和编码维度方面都有着不同的进展。

3、为实现利用小角度差的偏振态提升偏振编码信息容量的目的，本发明利用空间偏振不均匀分布的矢量光场来让偏振态变得可视化，进而利用小角度差的偏振态做编码使用。实际的编码工作是由电机和程序控制的偏振片进行的，解码工作用接收端的CCD相机配合机器学习分类算法完成。实验验证过程中为保证用作入射的矢量光束的可重构性，利用Sagnac干涉仪制备庞加莱光束，并用一例矢量光束作为输入验证角度间隔为5°的偏振编码的通信系统的可靠性。实验表明，角度间隔为5°的情况下对应的16个不同偏振角度下的光斑图案做信息传输，在接收端采集解码后数据恢复的准确度可以达到99.94％，证明本发明方法用于通信编解码的可行性。

附图说明

图1是本发明所采用的装置结构示意图。其中，各标记分别表示：1-编解码系统的矢量光束输入，2-第1四分之一波片，3-第1线性偏振片，4-CCD相机。

图2为实验室产生矢量光束的装置示意图。其中，各标记分别表示：5-激光器，6-第2线性偏振片，7-第1半波片，8-偏振分束立方，9-第1反射镜，10-第2半波片，11-空间光调制器，12-第2反射镜，13-D形反射镜，14-第2四分之一波片。

图3为实施例中的偏振编码基底的理论选取和实验采集以及实际传输图片的编码方法示意图。

图4为实施例中用于分析编解码系统性能的发送/接收的信号的串扰矩阵。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明实施例所述基于光斑识别的非正交偏振编码方法，由四分之一波片配合可旋转的偏振片作为编码端，机器学习分类图像识别算法作为解码端，使用任意具有复杂空间结构的矢量光束作为系统输入，实现非正交偏振信息的可视化编解码通信。具体方法为：设有一制备完成的矢量光束作为系统的激光输入，使输入的激光先经过一角度为+45°的四分之一波片使其具有更多的线偏振成分，之后经过一个可以旋转的线性偏振片，通过计算机控制电机旋转偏振片对信息进行编码，编码后的信息经过一透镜成像，在其傅里叶面上用CCD相机采集以分析其远场信息，对采集到的信息使用预先完成训练的卷积神经网络进行分类，便可实现非正交信息的编解码。所述矢量光束是利用由一个偏振分束立方，两个反射镜和一台空间光调制器构成Sagnac干涉仪，来产生所需的矢量光束。

本发明的工作原理：

在本装置中，用一个四分之一波片和一个可旋转的线性偏振片作为编码器件，对入射的矢量的光束进行编码，按照编码的需求，输入的矢量光束可以写做如下形式：

为产生用于检测偏振编解码系统性能的任意结构的矢量光束，需要一个任意偏振方向的线偏光入射，并对该入射光的水平和竖直偏振态分分别进行不同的强度和相位调控，最后让调控后的带有不同强度和相位结构的线性偏振光束通过快轴方向与水平成+45°夹角的四分之一波片产生公式(1)中所需的矢量光束。

通过琼斯矢量的变化来说明产生矢量光束的三个步骤：

①入射光偏振态调控：通过一个通光轴沿水平方向的线性偏振片滤出水平偏振的激光，之后通过一个可以旋转的半波片(半波片的角度记为θ)来调节入射光的水平和竖直偏振成分的比例。

②水平和竖直分量的强度与相位结构的分别调控：利用偏振分束立方分离入射光的水平和竖直分量，在Sagnac干涉仪的双向往返的光路中，根据空间光调制器只对水平偏振态的入射光敏感的特性，配合半波片对两束入射光进行调控，最终携带强度和相位信息的两束光在入射的偏振分束立方上合束并出射。

③出射的结构光束经过快轴方向与水平成+45°夹角的四分之一波片，转换成对应的左右旋圆偏振光，产生所需的具有不同强度和相位结构的左右旋圆偏光。

上式中的

为包含拉盖尔高斯光束的强度和相位结构的因子，且该结构的具体值与光束横向空间的位置相关，因此，通过一个不同取向的线性偏振片可以滤出不同的强度图案，实现偏振片偏振角度的可视化。

基于这一性质，便可以将偏振片的偏振角度应用于非正交的偏振编解码过程中。同时，如果降低入射的矢量光束的空间结构的对称性，就可以使通过不同取向偏振片的强度图案的区分度提高，即可以提高偏振编码的精度和可编码信息量。

在解码方面，本发明使用逐渐融入通信领域的机器学习的卷积神经网络分类识别不同的偏振编码图案，只需要用足量的预先标定的编码图案作为系统输入，该网络便可为通信系统提供可靠的解码性能。

本发明的使用步骤如下：

因实验中采用的532nm激光作为光源，所有的元件均为532nm(如半波片、四分之一波片)或者对应包含532nm的宽带镀膜器件(如反射镜、偏振片、偏振分束立方)。

(1)用波长为532nm的激光通过线性偏振片得到水平偏振激光，再通过快轴方向与水平成θ角的半波片，得到任意比例的水平和竖直偏振光，从经过反射镜后从偏振分束立方射入sagnac干涉仪。

(2)线偏光经过偏振分束立方后分为两路，水平偏振态的透射路经过反射镜打到空间光调制器液晶屏幕一侧，通过光栅调制获得强度和相位结构，再通过快轴方向与水平成45°的半波片转换成竖直偏振光，经过反射镜反射后打在入射的偏振分束立方上反射而出。在此期间，竖直偏振态的反射路经过反射镜后通过快轴方向与水平成45°的半波片转换成水平偏振光，打在空间光调制器屏幕另一侧被调制，调制后的光被反射镜反射后从入射的偏振分束立方透射而出，至此水平和竖直分量的入射光获得不同的强度和相位结构并完成合束。干涉仪出射光束经过快轴方向与水平成45°的四分之一波片，转换为左旋和右旋圆偏光构成的矢量光束。

(3)对制备完成的矢量光束通过旋转偏振片经过不同角度的方式进行调制，得到一组用于编码的强度图案基矢，并在接收端采集对应的光强图案用于解码系统卷积神经网络的训练。记录偏振片取向角度和强度图案的对应关系，留做实际解码过程使用。

(4)选择要传输的信息，根据其信息量用与编码图案基矢个数对应的位数进制来表示，将对应信息在编码端PC输入控制电动转台中的偏振片转动完成编码，并在接受端采集对应的强度图案。

(5)完成传输后将收集到的强度图案输入训练完成的卷积神经网络之中，恢复成图案对应的数值，并利用这些数值重构传输的信息。根据重构信息与发送端信息的差异性来对系统的性能进行评测。

本发明是一种非正交偏振编码方法。用图2的实验装置产生带有

强度和相位信息的左旋圆偏光和带有

强度和相位信息的右旋圆偏光构成的矢量光束。用该矢量光束作为入射光输入图1的编解码系统中。为验证偏振编码方法的可行性，并初步分析系统的传输性能，选择用16个不同的偏振片角度产生的强度图案作为编码基矢，对64×64的灰度图片‘Lena’进行编码传输。图1给出本发明所采用的装置结构示意图。其中，各标记分别表示：1-编解码系统的矢量光束输入，2-第1四分之一波片(快轴方向与水平成+45°)，3-第1线性偏振片(受PC和电机控制)，4-CCD相机(采集强度图案)。图给出实验室产生矢量光束的装置示意图。其中，各标记分别表示：5-激光器，6-第2线性偏振片(通光轴沿水平方向)，7-第1半波片(快轴方向可调)，8-偏振分束立方，9-第1反射镜，10-第2半波片(快轴方向与水平成45°角)，11-空间光调制器(左右加载不同相位)，12-第2反射镜，13-D形反射镜，14-第2四分之一波片(快轴方向与水平成+45°角)。

图3为用于测试编解码系统性能设计的编码方案，将偏振片通光轴沿水平方向的位置记为0°，选择用0°～75°范围内，每5°产生的强度图案作为编码基矢，图3上左为理论模拟的16个用作编码的强度图案，图3上右为实验采集的对应旋转角度的强度图案。之后选择不同的偏振片通光轴取向角度，每个角度各采集1000帧的视频作为带标签的训练素材输入卷积神经网路，用训练完成的网络作为后续的解码模块。之后对‘Lena’图片的4096个灰度范围在0～255的像素进行编码，每个像素对应两个强度图案，作为两位的十六进制数表示该像素的灰度值。具体编解码过程在图3的下图给出。

将编码后的8192个强度图案传输一定距离后，用CCD相机采集其强度信息，并输入预先训练好的卷积神经网络做解码，用解码出的数据和初始的‘Lena’的像素和编码信息进行比对，本次通信过程实际发送8192个信号，接收到8192个信号，其中8186个信号被正确解码，6个信号被误识别为其他信号。编解码系统的识别精度达到99.94％，误码率为0.06％，其可靠性基本符合通信的要求。图4为发送信号和接受信号的串扰矩阵，正确解码信号已在对角元标出，误码信号已在对应的误判位置标出。

本发明主要利用复杂矢量光场中不同偏振测量下获取的光场结构不同，基于光斑结构的识别可获取相应的偏振信息，从而实现非正交偏振编码。实际测试表明，本发明可视化偏振编码方法的传输性能可靠，对将偏振编码技术扩展到非正交的维度上具有一定的应用价值。

Claims (4)

1.一种基于光斑识别的非正交偏振编码方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将生成的矢量光束作为系统的激光光源输入，在激光光源的光路上依次设置四分之一波片、可旋转的线性偏振片作为编码器件，使输入的激光先经过一角度为+45°的四分之一波片使其具有更多的线偏振成分；再经过一个可旋转的线性偏振片，通过计算机控制电机旋转偏振片对信息进行编码；

2)编码后的信息经过一透镜成像，在其傅里叶面上用CCD相机采集以分析其远场信息，对采集到的信息使用已训练的卷积神经网络进行分类，实现非正交信息的编解码。

2.如权利要求1所述一种基于光斑识别的非正交偏振编码方法，其特征在于在步骤1)中，所述矢量光束是利用由一个偏振分束立方、两个反射镜和一台空间光调制器构成Sagnac干涉仪来产生的；将一个任意偏振方向的线偏光入射，并对该入射光的水平和竖直偏振态分别进行不同的强度和相位调控，然后让调控后的带有不同强度和相位结构的线性偏振光束通过快轴方向与水平成+45°夹角的四分之一波片生成所需的矢量光束。

3.如权利要求1所述一种基于光斑识别的非正交偏振编码方法，其特征在于在步骤1)中，所述矢量光束的生成，具体包括以下步骤：

(1)入射光偏振态调控：通过一个通光轴沿水平方向的线性偏振片滤出水平偏振的激光，之后通过一个可旋转的半波片来调节入射光的水平和竖直偏振成分的比例；

(2)水平和竖直分量的强度与相位结构的分别调控：利用偏振分束立方分离入射光的水平和竖直分量，在Sagnac干涉仪的双向往返的光路中，根据空间光调制器只对水平偏振态的入射光敏感的特性，配合半波片对两束入射光进行调控，最终携带强度和相位信息的两束光在入射的偏振分束立方上合束并出射；

(3)出射的结构光束经过快轴方向与水平成+45°夹角的四分之一波片，转换成对应的左右旋圆偏振光，产生所需的具有不同强度和相位结构的左右旋圆偏光；该光场的偏振分布与光束横向空间的位置相关，通过一个不同取向的线性偏振片可以滤出不同的强度图案，实现偏振片偏振角度的可视化。

4.如权利要求1所述一种基于光斑识别的非正交偏振编码方法，其特征在于在步骤2)中，所述实现非正交信息的编解码的具体步骤为：

(1)对制备完成的矢量光束通过旋转偏振片经过不同角度的方式进行调制，得到一组用于编码的强度图案基矢，并在接收端采集对应的光强图案用于解码系统卷积神经网络的训练，记录偏振片取向角度和强度图案的对应关系，留做实际解码过程使用；

(2)选择要传输的信息，根据其信息量用与编码图案基矢个数对应的位数进制来表示，将对应信息在编码端PC输入控制电动转台中的偏振片转动完成编码，并在接受端采集对应的强度图案；

(3)完成传输后将收集到的强度图案输入训练完成的卷积神经网络之中，恢复成图案对应的数值，并利用这些数值重构传输的信息，根据重构信息与发送端信息的差异性来对系统的性能进行评测。

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