CN115314115A - 基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置 - Google Patents

基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其为通过自适应光学技术对涡旋光信号进行预处理来抑制大气湍流效应的装置，包括望远镜模块、自适应光学预处理模块和涡旋光生成与合束模块；可通过涡旋光信号接收端发射一束信标光，使涡旋光信号发射端的自适应光学系统能探测和校正信道的大气湍流相位，并通过与信标光共光路逆向发射的方式，实现对涡旋光信号的预处理。本发明的装置能有效地提高涡旋光轨道角动量模式的纯度、抑制光信号的退化，保障涡旋光通信系统的可靠性。

Description

基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置
技术领域
本发明属于空间光通信、自适应光学领域，具体涉及一种基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置。
背景技术
目前，空间光通信由于其特有的优势成为了实现海量信息无线传输的重要手段。但随着传统激光通信中幅度、频率、相位、空间以及时间等维度的资源被充分利用，使得光通信系统的容量已经接近香农极限。随着新兴信息产业革命的推进，以移动互联网、物联网、车联网、云计算、大数据等为代表的大容量、高速率无线通信产业迅猛发展，现有光通信系统的信道容量势必将无法满足应用需求，扩容仍然是亟待发展的核心技术领域。使用携带轨道角动量的涡旋光通信成为了提高信道容量的有效技术方案。
涡旋光理论上具有无限个轨道角动量模式，且每个模式之间是相互正交的，因此携带不同轨道角动量模式的涡旋光可以作为独立的信道载波。此外，由于涡旋光的轨道角动量特性独立于其他光学参量，轨道角动量特性可以与传统的波分复用、偏振复用等方式结合使用。正是因为涡旋光这种特性，使得空间涡旋光通信系统拥有极高的通信速率和频谱利用率。目前，相关研究人员针对涡旋光通信技术，已经成功在室内开展了Gbps、Tbps甚至Pbps的高速通信传输实验，成功验证了空间涡旋光通信技术巨大的通信应用潜力。但由于湍流等大气因素的存在，使得涡旋光的不同轨道角动量之间发生模式串扰，信号光的质量退化，误码率增加，严重影响了通信系统的可靠性。因此，抑制大气湍流的影响，对实现高速率、高容量、高可靠性的空间涡旋光通信系统具有重要的意义。相对于采用信道编码和均衡的信号处理技术，自适应光学技术具有更强的校正能力以及更好的实时性，被普遍认为是目前解决光通信链路中大气湍流干扰的最佳技术。
发明内容
本发明目的在于基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，克服涡旋光束存在相位奇点导致直接波前探测困难的问题，解决因对准偏差对系统可靠性的影响，实现对空间涡旋光通信系统中大气湍流效应的实时抑制。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，包括望远镜模块、自适应光学预处理模块和涡旋光生成与合束模块；
从涡旋光接收端出射的信标光，由所述望远镜模块接收，进入所述自适应光学预处理模块进行波前探测和校正；信号光将首先经过所述涡旋光生成与合束模块转换为涡旋光信号并完成合束，再通过所述自适应光学预处理模块进行预处理，最后由所述望远镜模块发出。
进一步地，所述的望远镜模块是反射式或透射式；其中反射式望远镜模块是同轴或离轴结构。
进一步地，还包括精对准模块，置于所述望远镜模块和所述自适应光学预处理模块之间；所述的精对准模块包括倾斜误差探测器和第一倾斜校正器，该第一倾斜校正器置于主光路中对经过主光路的光束进行倾斜校正；所述精对准模块还包括第一分光镜和聚焦透镜，信标光由所述的望远镜模块接收后进入精对准模块，首先经过第一倾斜校正器，再通过第一分光镜，一部分光束经聚焦透镜聚焦后进入倾斜误差探测器，另一部分光束继续沿主光路传播进入下一个模块。
进一步地，所述的自适应光学预处理模块包括波前探测器和波前校正器；波前探测器用来探测信标光束的波前相位，波前校正器置于主光路中用来生成共轭的湍流畸变相位对信号光束进行预处理。
进一步地，所述的波前探测器为采用微透阵列的哈特曼波前传感器、棱锥波前传感器或曲率传感器；所述的波前校正器为压电陶瓷变形镜、音圈电机变形镜、MEMS变形镜或空间光调制器。
进一步地，所述的自适应光学预处理模块还包括第二倾斜校正器，放置于自适应光学预处理模块的主光路中，对倾斜误差进行校正；所述自适应光学预处理模块还包括第一透镜、第二透镜和第一反射镜，所述第一透镜、第二透镜与第一反射镜构成一个缩束/扩束系统，实现信标光的缩束、信号光的扩束。
进一步地，所述第一倾斜校正器是压电陶瓷倾斜镜、音圈电机倾斜镜、磁致伸缩倾斜镜或空间光调制器。
进一步地，所述第二倾斜校正器是压电陶瓷倾斜镜、音圈电机倾斜镜、磁致伸缩倾斜镜或空间光调制器。
进一步地，所述的涡旋光生成与合束模块包括信号光准直器、多路涡旋光产生模块和多路涡旋光合成模块；所述信号光准直器接收外部发射光端机出射的信号光，准直后的信号光经所述涡旋光产生模块后得到多路涡旋光信号，然后通过所述涡旋光合成模块进行合束传输，经过反射后进入所述自适应光学预处理模块。
进一步地，所述涡旋光产生模块使用反射式液晶空间光调制器、透射式液晶空间光调制器、螺旋相位板、全息相位板、微纳结构超表面、Q板、光纤器件或光子集成器件；所述涡旋光合成模块采用普通合束镜、偏振合束镜、合束薄膜或达曼光栅。
有益效果：
相比于采用基于优化算法的无波前自适应光学系统进行大气湍流抑制，本发明采用了波前传感器，具备更强的实时校正能力；通过信标光束进行湍流相位的采样，克服了涡旋光束存在相位奇点的问题；加入了精对准模块来降低通信系统的对准误差。本发明提出的基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置能主动实时的克服大气湍流的影响，提高通信系统的可靠性，对实现高容量、高可靠的涡旋光通信链路具有重要的参考价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于自适应光学预处理的涡旋光发射装置示意图。
图2为空间光调制器生成的轨道角动量模式数为2、4、6、8、10的涡旋光强度图像。
图3为不同模式的涡旋光束经过预处理前后通过湍流的强度图像。
具体实施方式
为了进一步说明本装置的具体实现与功能特点，使其更加明显易懂，下面将结合本发明的附图和实施例对装置的技术方案进行详细的描述。所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而非全部实施列。
参照图1，该图为本发明实施例所提供的一种基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置的示意图。所述装置包括望远镜模块1、精对准模块2、自适应光学预处理模块3和涡旋光束生成与合束模块4。其中，精对准模块2是可选的。
由于涡旋光束存在相位奇点，其中心光强分布为零。因此，想要直接对涡旋光束的波前进行探测是较为困难的。在本发明中，则是通过一束信标光来克服该问题。除此之外，该信标光还可以用来实现涡旋光信号发射端与涡旋光信号接收端的对准。
涡旋光信号接收端发送的信标光，在主光路中传播，依次经过望远镜模块1、精对准模块2，进入自适应光学预处理模块3的波前探测器307。而信号光则在主光路中反向传播，依次经过涡旋光束生成与合束模块4、自适应光学预处理模块3和精对准模块2、最后经由望远镜模块1发射出。
所述望远镜模块1负责完成信标光的接收，对信标光进行缩束/扩束来满足后续光路传播的口径需求。同时，也负责涡旋光信号的发射。可根据实际情况选择望远镜模块1的结构，可以是透射式、同轴或离轴反射式的望远镜之一。本实施例中采用的是透射式望远镜。
所述精对准模块2包括第一倾斜校正器201、第一分光镜202、聚焦透镜203和倾斜误差探测器204。信标光由所述的望远镜模块1接收后进入精对准模块2，首先经过第一倾斜校正器201，再通过第一分光镜202，一部分光束经聚焦透镜203聚焦后进入倾斜误差探测器204，另一部分光束继续沿主光路传播进入下一个模块。所述第一倾斜校正器201置于主光路中用来对接收的信标光进行倾斜误差的校正，减小涡旋光信号发射端与接收端的对准偏差对通信系统性能的影响。所述倾斜误差探测器204可以采用CCD或CMOS相机，置于分光路中，通过该倾斜误差探测器204可实时监测倾斜量，以便于实时控制第一倾斜校正器201补偿误差。精对准模块2在实际的使用过程中是可选的。
所述自适应光学预处理模块3包括波前探测器307、波前校正器301、第二倾斜校正器302、第一透镜303、第二透镜305、第一反射镜304、第二分光镜306。波前探测器307用来获取经大气传输后的信标光的畸变波前相位，实时控制波前校正器301生成共轭的畸变波前相位。当涡旋光信号经过主光路中的波前校正器301时，则可实现对信号光的预补偿。第二倾斜校正器302置于主光路中用来实现对低阶倾斜误差的预补偿。第一透镜303、第二透镜305与第一反射镜304构成了一个缩束/扩束系统，实现信标光的缩束、信号光的扩束，满足系统的工作口径需求。在本实施例中，所用到的波前传感器307是12×12子口径微透镜的哈特曼波前传感器，波前校正器301采用的是137单元的压电陶瓷变形镜。除此之外，波前探测器307还可以是棱锥波前传感器、曲率传感器之一，波前校正器301可以为音圈电机变形镜、MEMS变形镜、液晶空间光调制器之一。波前相位的解析算法可采用模式法、直接斜法等经典自适应光学算法，波前校正器的控制算法可采用随机并行梯度下降算法。
所述精对准模块2的第一倾斜校正器201和自适应光学预处理模块3的第二倾斜校正器302可以采用压电陶瓷倾斜镜、音圈电机倾斜镜、磁致伸缩倾斜镜、空间光调制器之一。优选的，本实施例中采用的是压电陶瓷倾斜镜。
所述涡旋光生成与合束模块4主要包括信号光准直器401、多路涡旋光产生模块和多路涡旋光合成模块。信号光准直器401的接收外部发射光端机出射的信号光，准直后的信号光经涡旋光产生模块后得到多路涡旋光信号，然后通过涡旋光合成模块进行合束传输。可以根据实际应用需求选择涡旋光束的产生与合成方式，以及轨道角动量的模式数与个数。所述涡旋光合成模块为偏振合束镜407。图1中给出了采用两个轨道角动量模式进行信号传输的示意图，包括第一空间光调制器403与第二空间光调制器405，第一偏振片402与第二偏振片404，第二反射镜406与第三反射镜408，以及偏振合束镜407。所述信号光准直器401出射的两路高斯信号光，一路经所述的第一偏振片402入射至第一空光调制器403转换为特定模式数的涡旋光信号，另一路经所述的第二偏振片404与第二空光调制器405转换为另一种特定模式数的涡旋光信号。两路涡旋光信号在偏振合束镜407中进行合束，再经过第三反射镜408进入所述自适应光学预处理模块3。关于涡旋光束的产生可以采用反射式液晶空间光调制器、透射式液晶空间光调制器、螺旋相位板、全息相位板、微纳结构超表面、Q板、光纤器件、光子集成器件之一；涡旋光合成模块可采用普通合束镜、偏振合束镜、合束薄膜或达曼光栅之一。优选的，本实施例中采用了1920×1152像素的反射式液晶空间光调制器产生涡旋光束，合成模块使用偏振合束镜407对两路涡旋光信号进行合束。
总之，所述实施例装置的整体光路流程如下：首先，通过所述望远镜模块1接收来自涡旋光接收端的信标光束。然后，信标光束沿主光路传播，进入所述的精对准模块2，信标光在经过第一倾斜校正器201后，第一分光镜202将分出部分信标光经聚焦透镜203进入倾斜误差探测器204，用来对倾斜误差进行实时探测与补偿。最后，信标光在补偿倾斜误差后依次经过所述自适应光学预处理模块3中的第二倾斜校正器302、波前校正器301、第一透镜303、第一反射镜304、第二透镜305、第二分光镜306后进入波前探测器307，完成对信标光所携带的大气湍流相位的探测与校正。所述涡旋光生成与合束模块4中的信号光准直器401接收外部的信号光后，准直出射两路高斯信号光，一路高斯信号光经第一偏振片402、第一空光调制器403转换为涡旋光信号，并与另一路经过第二偏振片404、第二空光调制器405、第二反射镜406产生的涡旋光信号在偏振合束镜407中进行合束，然后通过第三反射镜进入所述的自适应光学预处理模块3，之后在主光路中沿着与信标光束相反的方向传播，在加载了共轭的大气湍流相位后，最后由所述望远镜模块1发射出。
本实施例中采用了波长为650nm的信标光来探测大气湍流引起的畸变相位，采用532nm的激光作为信号光通过空间光调制器生成不同模式的涡旋光。如图2所示，展示了模式数分别为2、4、6、8、10的涡旋光束强度分布图。图3展示的是上述5个不同模式的涡旋光束在所述自适应光学预处理模块3未启动(第一行)和启动(第二行)情况下经过湍流传输后的远场强度图像，可以看到，在经过自适应光学预处理之后，严重退化的涡旋光信号质量有了明显的改善，说明采用本发明提供的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置能有效的抑制大气湍流的影响，改善空间涡旋光通信系统的性能。
以上实施例与装置示意图仅用来描述本发明的目的，以及为本发明具体使用提供参考，并非限制本发明的范围。本发明的具体范围由所附权利要求限定。凡在本发明的精神和原则之内的修改和变更也应当落入本发明的权利要求保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：包括望远镜模块、自适应光学预处理模块和涡旋光生成与合束模块；
从涡旋光信号接收端出射的信标光，由所述望远镜模块接收，进入所述自适应光学预处理模块进行波前探测和校正；信号光将首先经过所述涡旋光生成与合束模块转换为涡旋光信号并完成合束，再通过所述自适应光学预处理模块进行预处理，最后由所述望远镜模块发出。
2.根据权利要求1所述的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：所述的望远镜模块是反射式或透射式；其中反射式望远镜模块是同轴或离轴结构。
3.根据权利要求1所述的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：还包括精对准模块，置于所述望远镜模块和所述自适应光学预处理模块之间；所述的精对准模块包括倾斜误差探测器和第一倾斜校正器，该第一倾斜校正器置于主光路中对经过主光路的光束进行倾斜校正；所述精对准模块还包括第一分光镜和聚焦透镜，信标光由所述的望远镜模块接收后进入精对准模块，首先经过第一倾斜校正器，再通过第一分光镜，一部分光束经聚焦透镜聚焦后进入倾斜误差探测器，另一部分光束继续沿主光路传播进入下一个模块。
4.根据权利要求1所述的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：所述的自适应光学预处理模块包括波前探测器和波前校正器；波前探测器用来探测信标光束的波前相位，波前校正器置于主光路中用来生成共轭的湍流畸变相位对信号光束进行预处理。
5.根据权利要求4所述的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：所述的波前探测器为采用微透阵列的哈特曼波前传感器、棱锥波前传感器或曲率传感器；所述的波前校正器为压电陶瓷变形镜、音圈电机变形镜、MEMS变形镜或空间光调制器。
6.根据权利要求1所述的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：所述的自适应光学预处理模块还包括第二倾斜校正器，放置于自适应光学预处理模块的主光路中，对倾斜误差进行校正；所述自适应光学预处理模块还包括第一透镜、第二透镜和第一反射镜，所述第一透镜、第二透镜与第一反射镜构成一个缩束/扩束系统，实现信标光的缩束、信号光的扩束。
7.根据权利要求3所述的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：所述第一倾斜校正器是压电陶瓷倾斜镜、音圈电机倾斜镜、磁致伸缩倾斜镜或空间光调制器。
8.根据权利要求6所述的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：所述第二倾斜校正器是压电陶瓷倾斜镜、音圈电机倾斜镜、磁致伸缩倾斜镜或空间光调制器。
9.根据权利要求1所述的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：所述的涡旋光生成与合束模块包括信号光准直器、多路涡旋光产生模块和多路涡旋光合成模块；所述信号光准直器接收外部发射光端机出射的信号光，准直后的信号光经所述涡旋光产生模块后得到多路涡旋光信号，然后通过所述涡旋光合成模块进行合束传输，经过反射后进入所述自适应光学预处理模块。
10.根据权利要求9所述的自适应光学预处理的涡旋光通信发射装置，其特征在于：所述涡旋光产生模块使用反射式液晶空间光调制器、透射式液晶空间光调制器、螺旋相位板、全息相位板、微纳结构超表面、Q板、光纤器件或光子集成器件；所述涡旋光合成模块采用普通合束镜、偏振合束镜、合束薄膜或达曼光栅。
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