CN115037377B - 基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统。本发明利用完美涡旋光束光环半径不随轨道角动量变化的特性，提出将轨道角动量模式和空间位置信息两个独立的维度同时作为编码特征，即轨道角动量编码与空分复用结合，进行高维数字编码，提升编码效率。在有限的空间下，使用较少的轨道角动量模式，可以编码更大的信息量。该方法编码通过全息实现，解码通过扇形微透镜实现，系统结构简单，计算方便。

Description

基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统

技术领域

本发明属于光通信领域，具体涉及一种基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统。

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。而且涡旋光束各模式之间是相互正交的，可以组成完备的正交基，在突破通信容量上也有巨大的潜力；另外在光镊和光学加工也有很好的应用前景。

目前基于OAM的光通信，有两种应用方式，一种是使用涡旋光束作为载波，可以将模式复用技术引入到传统的光通信中，增加系统的信道容量。一种是将涡旋光束的轨道角动量作为一种新的物理维度来进行编码，由于拓扑荷数可以取到无穷，因此理论上，该方法具有承载无穷比特信息的编码能力，具有很大的应用潜能。但是传统的涡旋光束其光束半径与拓扑荷数成正比，这限制了高阶涡旋光束的应用，比如在通信领域，对于高阶涡旋光束需要更大的接收口径。因此，完美涡旋光束被提出，来解决这一限制，它的光环半径不随拓扑荷数变化，可以在小口径的条件下，应用大拓扑荷数的涡旋光束。而且目前对于拓扑荷数大于100的高阶涡旋光束的生成技术和检测技术是不易实现的，我们希望采用有限的轨道角动量模式来编码实现更高比特的信息量。常见的方法主要有采用多个模式耦合传输，但这涉及到轨道角动量谱的测量，增加了接收端探测系统的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述生成方法的不足，提出了种基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统。本发明提出的基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编码方法与系统，在使用OAM作为编码特征进行编码的同时，将多环完美涡旋光束各环的位置信息也作为编码特征，即将空间分割作为编码信息，以求更高的增益。这样将OAM编码与空分复用技术结合，可以实现更高维度的信息编码。在采用有限的OAM模式的前提下，利用完美涡旋光束的物理特性，引入空间位置信息，不同位置环上的完美涡旋光束同时也具有不同的OAM，这样可以实现更高效率的信息编码。

本发明采用的技术方案为：

一种基于多环完美涡旋光束高维数字信号编码方法，使用多环完美涡旋光束，将每个环上的完美涡旋光束的OAM信息与空间位置信息同时进行编码，即将OAM模式编码与空分复用技术结合，来提升编码效率。将OAM编码与空分复用技术结合，实现高维信息编码。

一种基于多环完美涡旋光束高维数字信号编码系统，包括发射部分和接收部分。其中，用于产生多环完美涡旋光束并进行编码的发射部分包括激光器，偏振片，扩束器，空间光调制器，第一望远镜系统。用于解码的接收部分包括第三透镜、第四透镜、扇形微透镜阵列、CCD相机，计算机。

进一步地，所述的激光器用于产生基模高斯光束。

进一步地，所述的偏振片用于产生与空间光调制器对应的线偏振激光。

进一步地，所述的扩束器用于将激光扩束。

进一步地，所述的空间光调制器，至于扩束镜后方，其靶面加载编码所需的全息图，用于生成不同环上不同OAM模式的多环完美涡旋光束。

进一步地，所述的第一望远镜系统，由于两个焦距为f透镜和一个小孔光阑组成，第一个透镜距离空间光调制器距离为f，第二个透镜距离第一个透镜2f，小孔光阑位于两个透镜中间，距两个透镜的距离均为f。该望远镜系统用于滤波其他高阶衍射级次和高频噪声，获得模式纯度高的多环完美涡旋光束，来进行自由空间传输。

接受部分用于解调多环完美涡旋光束调制的数字信号，包括第二望远镜系统，扇形微透镜阵列，CCD相机，计算机。

进一步地，所述的第二望远镜系统由两个透镜组成，用于接收发射部分发出的编码的多环完美涡旋光束。

进一步地，所述的扇形微透镜阵列为圆对称结构，用于将多环完美涡旋光束的OAM信息转化为焦面上光斑的位置信息。

进一步地，所述CCD相机位于扇形微透镜阵列的焦面上，用于观测焦面上的光场。

进一步地，所述的计算机用于生成信号编码所需的全息图并加载到空间光调制器上，和提取CCD采集的图像，计算光斑的质心，得到不同位置上完美涡旋光束的OAM，实现信号解调。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的一种高维数字信号编解码方法与系统，提出了将多环完美涡旋光束应用于通信中，由于完美涡旋光束的光环半径不随OAM变化这一特点，因此，各环上OAM模式相互独立，互不串扰。

(2)本发明的一种高维数字信号编解码方法与系统，提出将完美涡旋光束的空间位置与OAM一起作为编码特征进行数字信号编码，这样可以在有限的轨道角动量模式下，可以提供更高信息量的编码。

(3)本发明的一种高维数字信号编解码方法与系统，可以通过设置OAM模式间隔，来减小由于环境干扰造成误码率较高的影响，提高解码时模式识别的精度。

(4)本发明的一种高维数字信号编解码方法与系统，采用扇形微透镜来解码，结构简单。

附图说明

图1是本发明基于多环完美涡旋光束进行高维数字编码的装置示意图。

图2中，(a)是生成多环完美涡旋光束所需的全息图，数字编码信号为<5,10,-5,-10>，(b)是仿真得到的多环完美涡旋光束，数字编码信号为<5,10,-5,-10>，。

图3是多环完美涡旋光束经过扇形微透镜阵列后在焦面上的光场。

图4是仿真中8比特多环完美涡旋光束编码时，发射部分编码的灰度图片。

图5是仿真中8比特多环完美涡旋光束编码时，接收部分解码的灰度图片。

图1中：1-激光器、2-偏振片、3-扩束准直器、4-空间光调制器、5-第一透镜、6-小孔光阑、7-第二透镜、8-反射镜、9-第三透镜、10-第四透镜、11-扇形微透镜阵列、12-CCD相机、13-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步说明

下面结合附图，简要介绍本发明的基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统。完美涡旋光束的光环半径独立于拓扑荷数，并且半径大小可控。与常见的多个模式叠加的涡旋光场不同，多环完美涡旋光束不仅具有多个OAM模式数，而且不同的模式还具有不同的位置信息。多环完美涡旋光束可以表示为：

其中，M表示环数，R_M表示完美涡旋光束的光环半径，l_M表示不同位置完美涡旋光束的拓扑荷数，ω₀为束腰半径，(r,θ)分别为径向和角向坐标，i为虚数。完美涡旋光束的空间位置与OAM模式相互独立，可以同时用于信息编码技术中，来提高编码效率。

在信息编码过程中，采用完美涡旋光束的N个不同的OAM模式可以进行编码，表示为N进制码元，每个码元携带的信息量为log₂N比特，也就是参与编码的模式越多，编码的信息量越大。除了OAM模式外，多环完美涡旋光束的每个完美涡旋光束还具有空间位置信息。假设有M个环，那么每个OAM模式具有M个位置信息，将空间信息与轨道角动量模式同时进行编码，经该编码方式调制后的码元将携带log₂N^M＝Mlog₂N比特的信息量，与仅使用OAM模式进行编码的方式相比，信息量增加了M倍。

编码的数字信号可以表示为<l₁,l₂,l₃,...,l_M>，每个环上采用的OAM模式为l⁰,l¹,l²,...,l^N-1，表示采用了N个模式。若要编码一副幅度图像，其灰度值可以转换为M位的N进制表示，这样直接编码不同的灰度值。比如我们编码0-255的灰度值，则需要4个环，4个OAM模式。例如灰度值为0的四位四进制表示为0000，这个对应到多环完美涡旋光束上为每个环上加载的OAM模式都为l⁰。灰度值为108的四进制表示为1230，从右往左，依次表示第一到第四个环，每位上的数字表示OAM模式的次序。因此，四进制1230表示为：第一个环上加载的OAM模式为l⁰，第二个环上加载的OAM模式为l³，第三个环上加载的OAM模式为l²，第四个环上加载的OAM模式为l¹。这样可以将数字信号编码进多环完美涡旋光束中。

本发明的基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编码方式，编码的多环完美涡旋光束由公式(1)表示，可以由空间光调制器加载复振幅调控的相位全息图来生成，全息图的相位分布函数h(r,θ)由下列式子得到：

h(r,θ)＝exp{iΦ[A(r,θ),φ(r,θ)]}

Φ[A(r,θ),φ(r,θ)]＝f(A(r,θ))φ(r,θ)

f(A(r,θ))＝1-sinc^-1(A(r,θ)) (2)

其中，A(r,θ)和分别表示多环完美涡旋光束的振幅和相位，可以通过公式(1)求得。通过加载一闪耀光栅可以将零级衍射与一级衍射分开，得到高质量的目标复振幅光场，最终得到的全息图如下：

h_c(r,θ)＝h(r,θ)exp{i2π(ux+vy)]} (3)

式中，u,v分别表示光栅在水平方向上和垂直方向上的空间频率。高斯光束照射加载全息图的空间光调制器后，一级衍射为多环完美涡旋光束。

本发明的基于多环完美涡旋光束的高维数字信号解码方式，由一个扇形微透镜阵列来进行解码，扇形微透镜阵列具有测量多环完美涡旋光束OAM的能力(详见申请人已受理公开的发明专利：CN202010297712.X)。当多环完美涡旋光束经过扇形微透镜阵列时，不同环上的完美涡旋光束会被扇形小透镜分割，并在焦面上聚焦，由于其相位为螺旋结构，焦面上的光斑会发生偏移，偏移量可以用来计算OAM的大小，偏移方向表示OAM符号。

本发明的基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码系统包括发射部分和接收部分，如图1所示。其中发射部分用于多环完美涡旋光束的数字信号编码，包括激光器1，偏振片2，扩束准直器3，空间光调制器4，第一透镜5，小孔光阑6，第二透镜7。所述激光器1用于产生高斯光束；所述偏振片2用于产生水平偏振的入射光；所述扩束器3置于偏振片2后，将入射光扩束至生成多环完美涡旋光束所需尺寸；所述的第一透镜5，小孔光阑6，第二透镜7组成望远镜系统，置于空间光调制器后方的光路中，用于滤除无关衍射级次，获得多环完美涡旋光束。

接收部分用于将数字信号从接收的多环完美涡旋光束中进行解调，包括第三透镜9，第四透镜10，扇形微透镜阵列11，CCD相机12，计算机13。其中，所述的第三透镜9和第四透镜10组成望远镜系统，用于接收调制的多环完美涡旋光束；所述的扇形微透镜阵列11置于第四透镜10后方的光路中，将每个环上完美涡旋光束的轨道角动量信息转化为焦面上的光斑位置信息；所述CCD相机12位于扇形微透镜阵列11的焦面上，用于观测远场光场；所述计算机13用于计算CCD相机12采集到的焦面上各光斑的位移信息，来获得所编码的多环完美涡旋光束的每个环上的OAM信息，实现信号解调。

实施例1：采用4个环，4个OAM模式的多环完美涡旋光束，传输128×128的灰度图片。

本实施例中，采用四个环的多环完美涡旋光束，采用4个OAM模式依次为l⁰＝-10、l¹＝-5、l²＝5、l³＝10，每个码元携带的信息量为8比特，来表示0-255的像素灰度值。图2(a)是编码数字信号为<l₁＝5,l₂＝10,l₃＝-5,l₄＝-10>的全息图，其焦面上可以的得到对应编码信号的多环完美涡旋光束，如图2(b)所示，对应的四进制编码为0132，对应的像素灰度值为30。选取的灰度图片为128×128像素的中国科学院的院徽，如图4所示，图像大小为131.072千比特。图4中的图片经过编码后转换为数字信号，其编码信息被多环完美涡旋光束携带。经过扇形微透镜实现解码，如图3所示，通过计算不同环上光斑的位移量和位移方向，来获得对应环上的OAM信息。图5为解码之后的图片，与发射部分编码的图片一致，误码率为零。

从上述实施例中可以看出，本发明提出的方法仅使用4个OAM模式，就实现了8比特的编码，极大的提升了通信效率。

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 (2)

1.一种基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码系统，其特征在于：包括发射部分和接收部分；用于生成编码的多环完美涡旋光束并进行编码的发射部分包括激光器(1)、偏振片(2)、扩束准直器(3)、空间光调制器(4)、第一透镜(5)、小孔光阑(6)、第二透镜(7)；用于解码的接收部分包括第三透镜(9)、第四透镜(10)、扇形微透镜阵列(11)、CCD相机(12)，计算机(13)；

所述的激光器(1)用于产生基模高斯光束；

所述的偏振片(2)用于产生与空间光调制器(4)对应的线偏振激光；

所述的扩束准直器(3)用于将激光扩束为生成多环完美涡旋光束所需的尺寸；

所述的空间光调制器(4)位于扩束镜(3)后方，其靶面加载编码所需的全息图，用于生成编码的多环完美涡旋光束；

所述第一透镜(5)、小孔光阑(6)和第二透镜(7)组成望远镜系统，用于滤波其他高阶衍射级次和高频噪声，获得模式纯度高的多环完美涡旋光束，来进行自由空间传输；

所述的第三透镜(9)和第四透镜(10)组成的望远镜系统，用于接收发射部分出射的多环完美涡旋光束；

所述的扇形微透镜阵列(11)为圆对称结构，用于将多环完美涡旋光束的OAM信息转化为焦面上光斑的位置信息；

所述CCD相机(12)位于扇形微透镜阵列(11)的焦面上，用于观测焦面上的光场；

所述的计算机(13)用于生成信号编码所需的全息图并加载到空间光调制器(4)上，和提取CCD相机(12)采集的图像，计算焦面上光斑的质心，得到不同环上完美涡旋光束的OAM信息，实现信号解调；

其中，完美涡旋光束的光环半径独立于拓扑荷数，并且半径大小可控，多环完美涡旋光束可以表示为：

其中，M表示环数，R_M表示完美涡旋光束的光环半径，l_M表示不同位置完美涡旋光束的拓扑荷数，ω₀为束腰半径，(r,θ)分别为径向和角向坐标，i为虚数，完美涡旋光束的空间位置与OAM模式相互独立，可以同时用于信息编码技术中，来提高编码效率；

在信息编码过程中，采用完美涡旋光束的N个不同的OAM模式可以进行编码，表示为N进制码元，每个码元携带的信息量为log₂N比特，也就是参与编码的模式越多，编码的信息量越大，除了OAM模式外，多环完美涡旋光束的每个完美涡旋光束还具有空间位置信息；假设有M个环，那么每个OAM模式具有M个位置信息，将空间信息与轨道角动量模式同时进行编码，经该编码方式调制后的码元将携带log₂N^M＝Mlog₂N比特的信息量，与仅使用OAM模式进行编码的方式相比，信息量增加了M倍；

基于多环完美涡旋光束的高维数字信号解码方式，由一个扇形微透镜阵列来进行解码，当多环完美涡旋光束经过扇形微透镜阵列时，不同环上的完美涡旋光束会被扇形小透镜分割，并在焦面上聚焦，由于其相位为螺旋结构，焦面上的光斑会发生偏移，偏移量可以用来计算OAM的大小，偏移方向表示OAM符号。

2.一种基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码方法，其特征在于：该方法利用权利要求1所述的基于多环完美涡旋光束的高维数字信号编解码系统实现，使用多环完美涡旋光束，将每个环上的完美涡旋光束的OAM信息与空间位置信息同时进行编码，即将OAM模式编码与空分复用技术结合，来提升编码效率。