CN115276817B - 一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信方法及系统，属于矢量涡旋光通信技术领域。首先，使用待传输信息对矢量涡旋光在拓扑荷数和偏振级数两个维度进行调制，然后将带有信息的调制光信号向外传输。在接收端获取矢量涡旋光，并分束为第一矢量涡旋光和第二矢量涡旋光；将第一矢量涡旋光进行拓扑荷数解调，第二矢量涡旋光进行偏振级数解调，最终获得传输信息。该方法通过拓扑荷数和偏振级数双重维度的复用，可以减少调制时对拓扑荷数这一单一维度的利用。解决现有技术中通信系统成本高，以及随拓扑荷数的增大，涡旋光束光斑会相应的增大以致图像探测器无法准确获取并完成后续的解调工作，导致其通信安全性低和容量受限的问题。

Description

一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信方法及系统
技术领域
本发明属于矢量涡旋光通信技术领域，涉及一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信方法及系统，特别是一种涉及拓扑荷数、偏振级数的双维度多模式的矢量涡旋光束的产生与解调。
背景技术
随着信息技术的发展，物联网、大数据、元宇宙等技术的出现，人们对数据的需求量急剧增加。急剧增长的频谱需求与有限的频谱资源的矛盾越来越突出，迫切的需要一种新的高速率、大容量、高稳定的通信系统来提高频谱效率，扩大信道容量。
涡旋光(OAM)具有相位项(其中/>为切向角，1为拓扑荷，可取任意整数)，轨道角动量(OAM)模式值理论上是无限的，且携带不同OAM的光束之间相互正交，使其具有大容量信道的通信潜力。因此，涡旋在传统的涡旋光通信，利用不同拓扑荷数的正交性与拓扑荷数理论上无穷大的特性，来实现大容量数据传输的目的。
然而，在实际应用中，OAM复用光束的产生通常需要多个空间光调制器(SLM)，其价格昂贵，成本高；并且随着拓扑荷数的增大，涡旋光束光斑会相应的增大以致图像探测器无法准确获取并完成后续的解码工作，导致其通信安全性和容量还是远远不能满足新兴的通信领域的发展需求；因此，进一步提升传输数据容量和通信安全性是通信业发展的迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中由于随着拓扑荷数的增大，涡旋光束光斑会相应的增大以致图像探测器无法准确获取并完成后续的解调工作，导致的通信安全性低和通信容量受限的问题，提供一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信方法及系统，包含拓扑荷数和偏振级数两个维度，可以实现大容量数据传输的目的，并且进一步提高通信系统的安全性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信方法，包括以下步骤：
获取矢量涡旋光，并分束为第一矢量涡旋光和第二矢量涡旋光；
对第一矢量涡旋光进行拓扑荷数解调，将第一矢量涡旋光转换为数字信号，获得传输信息；
对第二矢量涡旋光进行偏振级数解调，将第二矢量涡旋光转换为数字信号，获得传输信息。
本发明还提供一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信系统，包括：
矢量涡旋光获取模块：用于获取矢量涡旋光，并分束为第一矢量涡旋光和第二矢量涡旋光；
拓扑荷数解调模块：用于接收第一矢量涡旋光，并对第一矢量涡旋光进行拓扑荷数解调，将第一矢量涡旋光转换为数字信号，获得传输信息；
偏振级数解调模块：用于接收第二矢量涡旋光，并对第二矢量涡旋光进行偏振级数解调，将第二矢量涡旋光转换为数字信号，获得传输信息。
优选地，所述矢量涡旋光获取模块包括激光器、扩束器、第一偏振片、光阑、空间光调制器、第一反射镜、第二反射镜、半波片、第一四分之一波片和分束器；所述激光器发射高斯光束依次经第一偏振片和光阑入射到空间光调制器，所述空间光调制器将高斯光调制成垂直偏振涡旋光，所述垂直偏振涡旋光依次经第一反射镜、第二反射镜和半波片再次入射空间光调制器后，出射水平线偏振涡旋光和垂直线偏振涡旋光经第一四分之一波片后，将水平线偏振涡旋光变为右旋圆偏振涡旋光，垂直线偏振涡旋光变为左旋圆偏振涡旋光；所述右旋圆偏振涡旋光和左旋圆偏振涡旋光经分束器分束分为第一矢量涡旋光和第二矢量涡旋光。
优选地，所述空间光调制器分为两个区域，其中一个区域加载拓扑荷数为m的涡旋光相位掩膜，另一个区域加载拓扑荷数为m-n的涡旋光相位掩膜。
优选地，所述半波片的光轴与水平方向夹角为22.5°。
优选地，所述第一四分之一波片的光轴与水平方向的夹角为45°。
优选地，所述拓扑荷数解调模块包括第二四分之一波片、第二偏振片、偏振分束器、第三反射镜、第四反射镜、第三四分之一波片、第三偏振片和第一图像处理器；所述第一矢量涡旋光依次入射第二四分之一波片、第二偏振片和偏振分束器，经偏振分束器透射的垂直线偏振涡旋光依次经第三反射镜和第四反射镜反射后再次入射偏振分束器与水平线偏振涡旋光同轴传播，并依次入射第三四分之一波片、第三偏振片和第一图像处理器，第一图像处理器采集图像，并将图像输送至PC端，获得传输信息。
优选地，所述第二四分之一波片的光轴与水平方向的夹角为0°。
优选地，所述第二偏振片的光轴与水平方向夹角为45°；所述第三四分之一波片的光轴与水平方向的夹角为45°。
优选地，所述偏振级数解调模块包括第四偏振片和第二图像处理器，所述第二矢量涡旋光依次入射第四偏振片和第二图像处理器，第二图像处理器采集图像，并将图像输送至PC端，获得传输信息。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信方法，该方法通过对矢量涡旋光的拓扑荷数和偏振级数的双重维度复用，利用不同拓扑荷数、不同偏振级数的矢量涡旋光对待传输信息进行调制，该调制方式与传统的拓扑荷数复用的涡旋光通信调制方式相比，有效提高带宽利用率和信息传输效率。并且其增加了偏振级数这一复用维度，可以减少调制时对拓扑荷数这一单一维度的利用，以达到使用较小拓扑荷数和偏振级数的双重复用实现大容量数据传输的目的。此外，该方法解调维度高，保密性好，抗干扰能力强，可以进一步提高通信系统的安全性。
本发明提供一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信系统，该系统包括了矢量涡旋光获取模块、拓扑荷数解调模块和偏振级数解调模块，实现了涡旋光的产生、传输、拓扑荷数解调及偏振级数的解调，最终，利用不同拓扑荷数、不同偏振级数的矢量涡旋光可以对待传输信息进行调制从而实现大数据量的传输。通过将矢量涡旋光拓扑荷数和偏振级数两个维度的设置，提供了无穷多个模式，不仅能够实现大容量数据传输，而且，双重维度复用进一步提升了通信系统的安全性，系统简单，易操作。
第一偏振片的设置，可将高斯光束转变为空间光调制器可调制的高斯垂直线偏振光，并通过光阑的作用对经光轴传输的高斯垂直线偏振光的光斑进行限制，该系统仅采用一台激光器、一台空间光调制器以及少量的传统的光学器件，即可实现矢量涡旋光的产生，器件结构简单且成本低，可进一步促进该系统在通信领域的应用。
其次，将空间光调制器分为两个区域加载产生大量涡旋光的相位掩膜，可以实现对涡旋光的二次调制进而产生不同模式相互垂直的线偏振涡旋光。
通过对半波片和第一四分之一波片角度的设置，实现对入射涡旋光偏振态进行调节进而产生矢量涡旋光。
最后，通过少量传统光学器件的设置，实现对矢量涡旋光的拓扑荷数解调和偏振级数解调。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的基于矢量涡旋光双维度多模式的通信方法流程图。
图2为本发明的矢量旋光产生模块结构图。
图3为本发明的拓扑荷数解调模块结构图。
图4为本发明的偏振级数解调模块结构图。
图5为本发明实施例中空间光调制器区域加载相位掩膜结构图。
图6为本发明实施例中穿过光轴夹角与水平方向夹角为45°的第二偏振片和第三偏振片的矢量涡旋光光强分布图。
图7为本发明实施例中穿过光轴夹角与水平方向夹角为135°的第二偏振片和第三偏振片的矢量涡旋光光强分布图。
图8为本发明实施例中偏振级数为±1的矢量涡旋光光强分布图。
其中，1-激光器，2-扩束器，3-第一偏振片，4-光阑，5-空间光调制器，6-第一反射镜，7-第二反射镜，8-半波片，9-四分之一波片，10-分束器，11-第二四分之一波片，12-第二偏振片，13-偏振分束器，14-第三反射镜，15-第四反射镜，16-第三四分之一波片，17-第三偏振片，18-第一图像处理器，19-PC端，20-第四偏振片，21-第二图像处理器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明提供一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信方法，包括以下步骤：
获取矢量涡旋光，并分束为第一矢量涡旋光a和第二矢量涡旋光b；
对第一矢量涡旋光a进行拓扑荷数解调，将第一矢量涡旋光a转换为数字信号，获得传输信息；
对第二矢量涡旋光b进行偏振级数解调，将第二矢量涡旋光b转换为数字信号，获得传输信息。
本发明提供一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信系统，包括：
矢量涡旋光获取模块：用于获取矢量涡旋光，并分束为第一矢量涡旋光a和第二矢量涡旋光b；
参见图2，所述矢量涡旋光获取模块包括激光器1，所述激光器1为He-Ne激光器，用于产生高斯光束，高斯光束依次经扩束器2、第一偏振片3和光阑4入射到空间光调制器5，其中第一偏振片3将经扩束后的高斯光束转变为空间光调制器可调制的高斯垂直偏振光；所述空间光调制器5为反射式纯位相空间光调制器，分为两个区域：其中一个区域加载拓扑荷数为m的涡旋光相位掩膜，编码时令m＞0，另一个区域加载拓扑荷数为m-n的涡旋光相位掩膜，经光阑4滤波后的高斯垂直偏振光首先入射到扑荷数为m的涡旋光相位掩膜区域，经调制反射后的出射光则为拓扑荷数为-m的垂直偏振涡旋光；拓扑荷数为-m的垂直偏振涡旋光依次经第一反射镜6和第二反射镜7反射后的出射光经半波片8后，半波片8的光轴与水平方向的夹角为22.5°，入射拓扑荷数为m-n的涡旋光相位掩膜区域，经空间光调制器5二次调制的后出射光为拓扑荷数m的水平线偏振涡旋光和拓扑荷数为n的垂直线偏振涡旋光；拓扑荷数m的水平线偏振涡旋光和拓扑荷数为n的垂直线偏振涡旋光入射第一四分之一波片9，此时，所述第一四分之一波片9的光轴与水平方向的夹角为45°，使拓扑荷数m的水平线偏振涡旋光转变为拓扑荷数m的右旋圆偏振涡旋光，使拓扑荷数n的垂直线偏振涡旋光变为拓扑荷数n的左旋圆偏振涡旋光，拓扑荷数m的右旋圆偏振涡旋光和拓扑荷数n的左旋圆偏振涡旋光合成为拓扑荷数是和偏振级数/>的矢量涡旋光并入射分束器10分束为第一矢量涡旋光a和第二矢量涡旋光b。
拓扑荷数解调模块：用于接收第一矢量涡旋光a，并对第一矢量涡旋光a进行拓扑荷数解调，将第一矢量涡旋光a转换为数字信号，获得传输信息；
参见图3，所述拓扑荷数解调模块包括第二四分之一波片11，第二四分之一波片11的光轴与水平方向的夹角为0°，所述第一矢量涡旋光a由拓扑荷数为m的右旋圆偏振涡旋光和拓扑荷数为n的左旋圆偏振涡旋光组成，第一矢量涡旋光a入射第二四分之一波片11后，拓扑荷数为n的左旋圆偏振涡旋光就变为拓扑荷数为n的135°线偏振涡旋光，拓扑荷数为m的右旋圆偏振涡旋光变为拓扑荷数为m的45°线偏振涡旋光，两束偏振涡旋光入射与光轴夹角为45°的第二偏振片12后，出射光只有拓扑荷数为m的线偏振涡旋光；拓扑荷数为m的线偏振涡旋光入射偏振分束器13，水平偏振部分被反射为拓扑荷数为-m的水平线偏振涡旋光，垂直偏振部分被透射为拓扑荷数m的垂直线偏振涡旋光；透射的拓扑荷数为m的垂直线偏振涡旋光，依次经过第三反射镜14和第四反射镜15反射后再次穿过偏振分束器13，与拓扑荷数为-m的水平线偏振涡旋光一起入射第三四分之一波片16；所述第三四分之一波片16的光轴与水平方向的夹角为45°，拓扑荷数为m的垂直线偏振涡旋光经过第三四分之一波片16成为拓扑荷数为m的左旋圆偏振涡旋光，拓扑荷数为-m的水平线偏振涡旋光经过第三四分之一波片16成为拓扑荷数为-m的右旋圆偏振涡旋光；两束拓扑荷数相反偏振方向相反的圆偏振涡旋光合成了拓扑荷数为0、偏振级数为p＝m的矢量光束，该矢量光束依次入射第三偏振片17和第一图像处理器18，第一图像处理器18采集图像，并将图像输送至PC端19，获得传输信息。
偏振级数解调模块：用于接收第二矢量涡旋光b，并对第二矢量涡旋光b进行偏振级数解调，将第二矢量涡旋光b转换为数字信号，获取传输信息；
参见图4，偏振级数解调模块包括第四偏振片20，所述第二矢量涡旋光b依次入射第四偏振片20和第二图像处理器21，第二图像处理器21采集图像，并将图像输送至PC端19，获得传输信息。
该系统使用时，利用矢量涡旋光获取模块，获取矢量涡旋光，并将矢量涡旋光分束为第一矢量涡旋光a和第二矢量涡旋光b：利用上述激光器1产生高斯光束，高斯光束依次经扩束器2、第一偏振片3和光阑4入射到空间光调制器5加载拓扑荷数为m的涡旋光相位掩膜区域，经调制反射后的出射光则为拓扑荷数为-m的垂直偏振涡旋光，其电场表达式：
其中，E为电场，[0,1]T表示垂直线偏振光，r为径向，为角向，ω为基模高斯光束的腰斑半径。
将拓扑荷数为-m的垂直偏振涡旋光依次经第一反射镜6和第二反射镜7反射，上述垂直线偏振涡旋光经过两个反射镜后，涡旋光的拓扑荷数并未发生改变，此垂直线偏振涡旋光经过光轴与水平方向夹角为22.5°的半波片8，则垂直线偏振涡旋光将成为135°线偏振涡旋光入射至空间光调制器5的拓扑荷数为m-n的涡旋光相位掩膜区域。135°线偏振涡旋光可分为水平偏振涡旋光和垂直偏振涡旋光，水平偏振涡旋光经过空间光调制器5不会被调制，但拓扑荷数-m经过空间光调制器5反射后变为m，垂直线偏振涡旋光经过空间光调制器5加载m-n的涡旋光相位掩膜区域，调制后拓扑荷数由-m会变为-m+m-n＝-n；拓扑荷数为-n的垂直线偏振光再经过反射后出射光束为拓扑荷数n的垂直线偏振涡旋光，则最终空间光调制器5的出射光为拓扑荷数m的水平线偏振涡旋光和拓扑荷数为n的垂直线偏振涡旋光；
上述经过空间光调制器5的拓扑荷数m的水平线偏振涡旋光和拓扑荷数为n的垂直线偏振涡旋光入射光轴与水平夹角为45°的第一四分之一波片9，此时，拓扑荷数m的水平线偏振涡旋光转变为拓扑荷数m的右旋圆偏振涡旋光，拓扑荷数n的垂直线偏振涡旋光变为拓扑荷数n的左旋圆偏振涡旋光，经过第一四分之一波片9的光束满足以下电场表达式为：
其中，E为电场；为柱坐标系中的径向和角向；/>为高斯光束的电场表达式；A0为振幅，为方便起见，令A0＝1，ω为基模高斯光束的腰斑半径；[1，-]T表示右旋圆偏振光；[1，i]T表示左旋圆偏振光；m为右旋圆偏振光涡旋光的拓扑荷数；n为左旋圆偏振涡旋光的拓扑荷数；/>表示合成的矢量涡旋光的拓扑荷数；/>表示矢量涡旋光的偏振级数；i为虚数单位。
表示拓扑荷数m的右旋圆偏振涡旋光和拓扑荷数n的左旋圆偏振涡旋光经过第一四分之一波片9合成为拓扑荷数是和偏振级数/>的矢量涡旋光。
上述矢量涡旋光入射分束器10分束为第一矢量涡旋光a和第二矢量涡旋光b。
利用拓扑荷数解调模块，接收第一矢量涡旋光a，并进行拓扑荷数解调，将第一矢量涡旋光a转换为数字信号，获得传输信息：使第一矢量涡旋光a入射光轴与水平方向的夹角为0°的第二四分之一波片11，第一矢量涡旋光a由拓扑荷数为m的右旋圆偏振涡旋光和拓扑荷数为n的左旋圆偏振涡旋光组成，第一矢量涡旋光a入射第二四分之一波片11后，拓扑荷数为n的左旋圆偏振涡旋光就变为拓扑荷数为n的135°线偏振涡旋光，拓扑荷数为m的右旋圆偏振涡旋光变为拓扑荷数为m的45°线偏振涡旋光，两束偏振涡旋光入射与光轴夹角为45°的第二偏振片12后，出射光只有拓扑荷数为m的线偏振涡旋光；拓扑荷数为m的线偏振涡旋光入射偏振分束器13，水平偏振部分被反射为拓扑荷数为-m的水平线偏振涡旋光，垂直偏振部分被透射为拓扑荷数m的垂直线偏振涡旋光；透射的拓扑荷数为m的垂直线偏振涡旋光，依次经过第三反射镜14和第四反射镜15反射后再次穿过偏振分束器13，与拓扑荷数为-m的水平线偏振涡旋光一起入射光轴与水平方向的夹角为45°的第三四分之一波片16；拓扑荷数为m的垂直线偏振涡旋光经过第三四分之一波片16后转变为拓扑荷数为m的左旋圆偏振涡旋光，拓扑荷数为-m的水平线偏振涡旋光经过第三四分之一波片16后转变为拓扑荷数为-m的右旋圆偏振涡旋光；两束拓扑荷数相反偏振方向相反的圆偏振涡旋光合成了拓扑荷数为0、偏振级数为p＝m的矢量光束，该矢量光束依次入射第三偏振片17和第一图像处理器18，第一图像处理器18采集图像，并将图像输送至PC端19，获得传输信息；此时，不同偏振级数矢量光的强度图呈现不同瓣数，偏振级数为相反数的矢量光其强度图完全一样。由于m＞0，因此，通过瓣数可以获得偏振级数为前面所述合成矢量涡旋光的其中一束涡旋光的拓扑荷数m。
将第二偏振片12的光轴与水平方向的夹角为135°时，上述拓扑荷数为m的45°线偏振涡旋光和拓扑荷数为n的135°线偏振涡旋光穿过第二偏振片12后，只有拓扑荷数为n的线偏振涡旋光通过。
与上述检测拓扑荷数为m的涡旋光束过程一样，最终两束拓扑荷数相反偏振方向相反的圆偏振涡旋光合成了拓扑荷数为0，偏振级数为p＝n的矢量光束，此光束经过垂直线偏振片，不同偏振级数矢量光的强度图呈现不同瓣数，但偏振级数为相反数的矢量光其强度图一样。因此，可以获得偏振级数为上述合成矢量涡旋光的其中一束涡旋光的拓扑荷数±n。
利用偏振级数解调模块接收第二矢量涡旋光b，进行偏振级数解调，将第二矢量涡旋光b转换为数字信号，获得传输信息：第二矢量涡旋光b的偏振级数为p，拓扑荷数为l，使第二矢量涡旋光b依次入射第四偏振片20和第二图像处理器21，第二图像处理器21采集图像，并将图像输送至PC端19，获得传输信息；此时，不同偏振级数矢量光的强度图呈现不同瓣数，但偏振级数为相反数的矢量光其强度图一致，由上述拓扑荷数解调部分得到的m和±n，以及偏振解调部分得到的±p可以唯一确定拓扑荷数n。
通过确定的m和n，可以准确的解调出矢量涡旋光的偏振级数拓扑荷数获取传输信息。
参见图5，根据上述产生矢量涡旋光的过程，将空间光调制器5设置为拓扑荷数m＝1的涡旋光束的相位掩膜，右半区域为拓扑荷数m-n＝2的涡旋光的相位掩膜，即n＝-1的涡旋光束。
激光器1产生高斯光束依次经扩束器2、第一偏振片3和光阑4后，入射空间光调制器5的拓扑荷数m＝1的涡旋光束的相位掩膜区域，出射光则为拓扑荷数为-1的垂直偏振涡旋光，再依次经过第一反射镜6和第二反射镜7反射后，拓扑荷数为-1的垂直线偏振涡旋光经过光轴与水平方向夹角为22.5°的半波片8，成为拓扑荷数为-1的135°的线偏振涡旋光。
上述拓扑荷数为-1的135°的线偏振涡旋光可分为水平偏振涡旋光和垂直偏振涡旋光，其中拓扑荷数为-1的水平线偏振涡旋光经过空间光调制器5的拓扑荷数为m-n＝2的涡旋光相位掩膜区域不被调制。拓扑荷数为-1的垂直线偏振涡旋光穿过空间光调制器5的拓扑荷数为m-n＝2的涡旋光相位掩膜区域，被m-n＝2的相位掩膜调制成为拓扑荷数变为1的垂直线偏振涡旋光，再经过反射后出射光束为拓扑荷数为-1的垂直线偏振涡旋光。
因此，穿过空间光调制器5的拓扑荷数为m-n＝2的涡旋光相位掩膜区域后，最终出射光束为拓扑荷数1的水平线偏振涡旋光和拓扑荷数为-1的垂直线偏振涡旋光。上述两束涡旋光再入射光轴与水平方向夹角为45°的第一四分之一波片9，拓扑荷数1的水平线偏振涡旋光变为拓扑荷数1的右旋圆偏振涡旋光，拓扑荷数-1的垂直线偏振涡旋光变为拓扑荷数-1的左旋圆偏振涡旋光。
上述穿过第一四分之一波片9的光束为满足电场表达式的矢量涡旋光，其偏振级数为拓扑荷数为/>的矢量涡旋光。
上述矢量涡旋光经过分束镜10分束后传播一段距离，一路经过拓扑荷数解调模块，即第一矢量涡旋光a入射光轴与水平方向夹角为0°的第二四分之一波片11，拓扑荷数为-1的左旋圆偏振涡旋光就变为拓扑荷数为n的135°线偏振涡旋光，拓扑荷数为1的右旋圆偏振涡旋光变为拓扑荷数为m的45°线偏振涡旋光。
上述拓扑荷数为1的45°线偏振涡旋光穿过偏振分束镜13后，水平偏振部分经过反射为拓扑荷数为-1的水平线偏振涡旋光，垂直偏振部分经过透射为拓扑荷数1的垂直线偏振涡旋光。
上述透射的拓扑荷数为1的垂直线偏振涡旋光，依次经过第三反射镜14和第四反射镜15反射后，拓扑荷数和偏振态均未发生改变。
最终上述拓扑荷数为1的垂直线偏振涡旋光再次通过偏振分束器13与前面所述的拓扑荷数为-1的水平线偏振涡旋光同轴传播。
拓扑荷数为1的垂直线偏振涡旋光和拓扑荷数为-1的水平线偏振涡旋光入射光轴与水平方向夹角为45°的第三四分之一波片16，拓扑荷数为1的垂直线偏振涡旋光转变为拓扑荷数为1的左旋圆偏振涡旋光，拓扑荷数为-1的水平线偏振涡旋光转变为拓扑荷数为-1的右旋圆偏振涡旋光。
参见图6，最终，两束拓扑荷数相反偏振方向相反的圆偏振涡旋光合成了拓扑荷数为0，偏振级数为p＝1的矢量光束，穿过第二偏振片17，由第一图像处理器18采集光强图片，传输给PC端，可以看出其瓣数为2，即p＝±1。可以获得偏振级数为上述合成矢量涡旋光的其中一束涡旋光的拓扑荷数m＝1。
参见图7，调整线偏振片1与光轴夹角为135°时，上述拓扑荷数为m＝1的45°线偏振涡旋光和拓扑荷数为n的135°线偏振涡旋光经过线偏振片后只有拓扑荷数为-1的线偏振涡旋光通过。与上述检测拓扑荷数为1的涡旋光束过程一样，最终两束拓扑荷数相反偏振方向相反的圆偏振涡旋光合成了拓扑荷数为0，偏振级数为p＝-1的矢量光束；此光束过第二偏振片17，由第一图像处理器18采集光强图片，传输给PC端，可以看出瓣数也为2，即p＝±1。可以获得偏振级数为合成矢量涡旋光的其中一束涡旋光的拓扑荷数n＝±1。
参见图8，第二矢量涡旋光b进入偏振级数解调模块，第二矢量涡旋光b穿过第四偏振片20，经第二图像处理器21采集图像，并传输给PC端，不同偏振级数矢量光的强度图呈现不同瓣数，即偏振级数p＝±1。
那么根据偏振级数解调得到的偏振级数可以解出拓扑荷数n＝-1，偏振级数p＝1。拓扑荷数/>
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于矢量涡旋光双维度多模式的通信系统，其特征在于，包括：
矢量涡旋光获取模块：用于获取矢量涡旋光，并分束为第一矢量涡旋光（a）和第二矢量涡旋光（b）；所述矢量涡旋光获取模块包括激光器（1）、扩束器（2）、第一偏振片（3）、光阑（4）、空间光调制器（5）、第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、半波片（8）、第一四分之一波片（9）和分束器（10）；所述激光器（1）发射高斯光束依次经第一偏振片（3）和光阑（4）入射到空间光调制器（5），所述空间光调制器（5）将高斯光调制成垂直偏振涡旋光，所述垂直偏振涡旋光依次经第一反射镜（6）、第二反射镜（7）和半波片（8）再次入射空间光调制器（5）后，出射水平线偏振涡旋光和垂直线偏振涡旋光经第一四分之一波片（9）后，将水平线偏振涡旋光变为右旋圆偏振涡旋光，垂直线偏振涡旋光变为左旋圆偏振涡旋光；所述右旋圆偏振涡旋光和左旋圆偏振涡旋光经分束器（10）分束分为第一矢量涡旋光（a）和第二矢量涡旋光（b）；
拓扑荷数解调模块：用于接收第一矢量涡旋光（a），并对第一矢量涡旋光（a）进行拓扑荷数解调，将第一矢量涡旋光（a）转换为数字信号，获得传输信息；所述拓扑荷数解调模块包括第二四分之一波片（11）、第二偏振片（12）、偏振分束器（13）、第三反射镜（14）、第四反射镜（15）、第三四分之一波片（16）、第三偏振片（17）和第一图像处理器（18）；所述第一矢量涡旋光（a）依次入射第二四分之一波片（11）、第二偏振片（12）和偏振分束器（13），经偏振分束器（13）透射的垂直线偏振涡旋光依次经第三反射镜（14）和第四反射镜（15）反射后再次入射偏振分束器（13）与水平线偏振涡旋光同轴传播，并依次入射第三四分之一波片（16）、第三偏振片（17）和第一图像处理器（18），第一图像处理器（18）采集图像，并将图像输送至PC端（19），获得传输信息；
偏振级数解调模块：用于接收第二矢量涡旋光（b），并对第二矢量涡旋光（b）进行偏振级数解调，将第二矢量涡旋光（b）转换为数字信号，获得传输信息；所述偏振级数解调模块包括第四偏振片（20）和第二图像处理器（21），所述第二矢量涡旋光（b）依次入射第四偏振片（20）和第二图像处理器（21），第二图像处理器（21）采集图像，并将图像输送至PC端（19），获得传输信息。
2.根据权利要求1所述的基于矢量涡旋光双维度多模式的通信系统，其特征在于，所述空间光调制器（5）分为两个区域，其中一个区域加载拓扑荷数为m的涡旋光相位掩膜，另一个区域加载拓扑荷数为m-n的涡旋光相位掩膜。
3.根据权利要求1所述的基于矢量涡旋光双维度多模式的通信系统，其特征在于，所述半波片（8）的光轴与水平方向夹角为22.5°。
4.根据权利要求1所述的基于矢量涡旋光双维度多模式的通信系统，其特征在于，所述第一四分之一波片（9）的光轴与水平方向的夹角为45°。
5.根据权利要求1所述的基于矢量涡旋光双维度多模式的通信系统，其特征在于，所述第二四分之一波片（11）的光轴与水平方向的夹角为0°。
6.根据权利要求1所述的基于矢量涡旋光双维度多模式的通信系统，其特征在于，所述第二偏振片（12）的光轴与水平方向夹角为45°；所述第三四分之一波片（16）的光轴与水平方向的夹角为45°。
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