CN117749275A - 一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统及方法，属于光通信技术领域。本发明在发送端通过m×n阵列达曼光栅将入射的单个高斯光束转化成m×n阵列高斯光束，得到m×n阵列高斯光束传输通道。根据OAM键控编码，制作m×n涡旋全息图，当m×n阵列高斯光束垂直入射到m×n阵列涡旋全息图，得到m×n阵列涡旋光束传输通道，并进行多通道并行传输。在接收端，通过预训练的深度学习网络模型从探测器采集到的阵列强度图像中并行检测相应通道的OAM模式。再根据OAM键控编码进行数据解码，恢复数据信息。本发明的多通道轨道角动量光通信方法，调控灵活，操作简单，传输效率高。

Description

一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统及方法

技术领域

本发明涉及轨道角动量(OAM)光通信技术领域，尤其涉及一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统及方法。

背景技术

随着信息技术的蓬勃发展，对光通信系统的容量需求也越来越大。传统的光通信系统通常依靠光的波长、振幅、相位、偏振和时间等自由度来传输信息。然而，这些自由度正变得不足以满足日益增长的数据流量需求。最近，携带轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)的涡旋光束由于具有无限的模式且不同模式相互正交，在编码数据传输方面的应用已成为大容量光通信领域的一个潜在的解决方案。即OAM为编码资源提供了一个新的自由度，它能在不消耗带宽的情况下进一步提高通信容量。此外，基于OAM的光通信与现有成熟的光通信复用和调制技术结合，使其成为提高光通信系统性能的一个非常有前景的选择。因此，基于OAM的光通信为目前应对容量危机提供了一个新的解决思路，以满足对大容量光通信系统日益增长的需求。

然而，目前限制OAM光通信大容量传输的一个关键点在于自由空间传输信道为单通道，传输容量小，传输效率较低，即在传输OAM编码的数据时需要一个接一个地切换OAM模式。为了实现高效传输，一个简单的策略是使用更快的切换设备。随着光电子器件技术的快速发展，这一限制很可能被突破。因此，在不久的将来，切换OAM模式的调谐速度可能不是主要的限制因素。

除了提高调谐速度外，实现高效传输的另一种方案是将单通道传输拓宽为多通道传输，需要将之前的单OAM光束编码信息传输进一步开发为阵列OAM光束编码信息传输，从而实现多通道大容量OAM光通信。华中科技大学的研究团队通过在光路系统中使用3个分光棱镜和多个反射镜实现4通道阵列OAM光通信(S.H.Li等，Optics Express，第25卷，第21537-21547页)，但由于使用棱镜造成的光功率损耗，使得各通道的光强质量并不均匀分布，且多个棱镜的调节难度大，增加了系统的复杂度。北京理工大学的研究团队通过设计特殊的衍射型光栅可同时产生多路多OAM复用光束(高春清等，申请号：201811492046.4；付时尧等，申请号：202210376982.9)，从而实现多通道OAM光通信，虽然减少了系统复杂度，但只能进行多通道的整体调控，并不能实现各通道OAM独立调控，且用于多通道OAM的检测及解调依然采取单通道的实验手段，效率较低。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统及方法，本发明通过将达曼光栅装置和多涡旋光装置有机整合，可实现多通道OAM的各子通道自由独立调控，调控灵活度高，且装置结构简单，传输及检测效率高。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信方法，包括以下步骤：

步骤101：制作一个m×n阵列达曼光栅，在发送端，通过该m×n阵列达曼光栅将入射的单个高斯光束转化成m×n阵列高斯光束，得到m×n阵列高斯光束传输通道；

步骤102：根据OAM键控编码，制作m×n阵列涡旋全息图以匹配m×n阵列高斯光束传输通道，当m×n阵列高斯光束垂直入射到m×n阵列涡旋全息图，转换为m×n阵列涡旋光束，得到m×n阵列涡旋光束传输通道，并进行多通道并行传输；

步骤103：在接收端，通过预训练的深度学习网络模型从探测器采集到的阵列强度图像中并行检测相应通道的OAM模式，再根据OAM键控编码分别对OAM模式进行数据解码，恢复数据信息。

更进一步地，步骤101中制作一个m×n阵列达曼光栅全息图加载到光调制器上，实现等同于达曼光栅光学元件的效果。

更进一步地，所述m×n阵列达曼光栅全息图为m行n列的二维二元相位型达曼光栅全息图。

更进一步地，所述OAM键控编码为一个图像灰度值对应一个OAM拓扑荷模式的一对一映射编码。

更进一步地，所述m×n阵列涡旋全息图为由m×n个子涡旋全息图构成的整合涡旋全息图，每个子涡旋全息图为二维二元相位型涡旋全息图。

更进一步地，所述m×n阵列涡旋全息图的各子涡旋全息图的中心与m×n阵列高斯光束中心保持一致。

更进一步地，所述预训练的深度学习网络，为深度残差结构网络，针对m×n通道，对应设置m×n个子网络模型。

本发明的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括线偏型激光器、半波片、透镜组，第一光调制器，4f透镜组和第二光调制器，

所述线偏型激光器，用于产生线偏振的高斯光束；

所述半波片，置于线偏型激光器后方的光路中，用于调节光束的偏振态；

所述透镜组，置于半波片后方的光路中，用于光束扩束，实现不同倍数的扩束效果；

所述第一光调制器，置于透镜组后方的光路中，用于加载m×n阵列达曼光栅全息图，将入射的单个高斯光束转化成m×n阵列高斯光束，得到m×n个高斯光束信号源传输通道；

所述4f透镜组，置于第一光调制器后方的光路中，用于辅助光学滤波；

所述第二光调制器，置于4f透镜组后方的光路中，用于加载m×n阵列涡旋全息图，当m×n阵列高斯光束垂直入射到m×n阵列涡旋全息图，将其转换为m×n阵列涡旋光束，得到m×n阵列涡旋光束传输通道；

所述接收端，用于同时接收多通道OAM采集的强度图案并对编码OAM的数据进行并行解码，以恢复原数据信息。

更进一步地，所述接收端包括凸透镜，探测器和计算机；

所述凸透镜，置于第二光调制器后方，用于会聚信号源；

所述探测器，置于凸透镜后方的光路中，用于采集多通道强度图案；

所述计算机，用于预处理探测器接收到的强度图案，通过预训练的深度学习网络识别出接收到的OAM模式，再根据OAM编码规则，实现数据信息的解码。

更进一步地，所述透镜组包括两个不同焦距的凸透镜；所述4f透镜组也包括两个不同焦距的凸透镜，在两个凸透镜的焦点处设置小孔，通过小孔选取+1级衍射图案。

更进一步地，所述第一光调制器、第二光调制器采用液晶空间光调制器，探测器采用CMOS相机或CCD相机，计算机与第一光调制器、第二光调制器、探测器连接。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统，通过将达曼光栅装置和多涡旋光装置有机整合，可实现多通道OAM的各子通道自由独立调控，调控灵活度高。

(2)本发明的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统，结构简单且光束质量稳定，可适用于多路OAM光通信的光信息多通道并行传输应用场景。

(3)本发明的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统，在传输端可将数据信息通过多通道OAM编码进行多通道数据并行传输，传输容量大；通过在接收端与之匹配的深度学习网络，可实现多通道OAM并行检测及解调，效率高。

附图说明

图1为本发明的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信方法的流程图；

图2为本发明中光通信发送端的结构示意图；

图3为本发明中光通信接收端的结构示意图；

图4为本发明中2×2阵列达曼光栅全息图；

图5为本发明中2×2阵列涡旋全息图；

图6为系统发送端出射的2×2阵列4通道OAM光束的强度图；

图7为基于2×2阵列4通道OAM编码图像并行传输的实例演示图。

示意图中的标号说明：

201、线偏型激光器；202、半波片；203、透镜组；204、第一光调制器；205、4f透镜组；206、第二光调制器；

301、凸透镜；302、探测器；303、计算机。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

结合图1，本实施例的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信方法，包括如下步骤：

步骤101，在发送端，将制作的m×n阵列达曼光栅全息图加载到第一光调制器上，以此将入射的单个高斯光束转化成m×n阵列高斯光束，得到m×n阵列高斯光束传输通道。

所述m×n阵列达曼光栅全息图，具体为m行n列的二维二元相位型达曼光栅全息图。

需要说明的是，通过将制作的达曼光栅全息图加载到空间光调制器上调制的效果等同于达曼光栅光学元件的效果。

步骤102，根据OAM键控编码，制作m×n涡旋全息图以匹配m×n阵列高斯光束传输通道，并将该m×n涡旋全息图加载到第二光调制器上。当m×n阵列高斯光束垂直入射到第二光调制器上时，将被转换为m×n阵列涡旋光束，得到m×n阵列涡旋光束传输通道，并进行多通道并行传输。

所述OAM键控编码，具体为一个OAM模式对应一个数据码元的一一映射编码。值得注意的是，每个OAM光束都可以编码一个码元的数据信息进行传输，对于m×n阵列涡旋光束而言，可同时编码m×n个码元数据信息传输。

所述m×n涡旋全息图，具体为由m×n个子涡旋全息图构成的一个整合涡旋全息图，每个子涡旋全息图为二维二元相位型涡旋全息图。优选地，所述m×n涡旋全息图的各子涡旋全息图的中心须与m×n阵列高斯光束中心保持一致。

步骤103，在接收端，通过一个预训练的深度学习网络模型从探测器采集到的阵列强度图像中并行检测相应通道的OAM模式。再根据OAM键控编码分别对OAM模式进行数据解码，恢复数据信息。

所述预训练的深度学习网络，为深度残差结构网络。与单通道OAM模式检测不同，多通道OAM模式的检测需要同时训练多个模型。需要注意的是，针对m×n通道，在接收端口设置m×n个子网络模型进行模式分类训练和测试，即每个子通道对应一个子网络模型。特别地，一旦该网络经过适当地训练，就能学习到入射OAM模式和出射强度图案一一映射关系，充当模式检测器的作用。

结合图2，本实施例提供的光通信系统的发送端，用于生成可调控的多通道OAM信号源，其包括：线偏型激光器201、半波片202、透镜组203、第一光调制器204、4f透镜组205和第二光调制器206。

所述线偏型激光器201，用作光源，用于产生线偏振的高斯光束；

所述半波片202，置于线偏型激光器201后方的光路中，用于调节光束的偏振态；

所述透镜组203，置于半波片202后方的光路中，其由两个不同焦距的凸透镜组成，用于光束扩束，实现不同倍数的扩束效果；

所述第一光调制器204，采用液晶空间光调制器，置于透镜组203后方的光路中，用于加载所制作的m×n阵列达曼光栅全息图，可将入射的单个高斯光束转化成m×n阵列高斯光束，得到m×n个高斯光束信号源传输通道；

所述4f透镜组205，置于第一光调制器204后方的光路中，其由两个不同焦距的凸透镜组成，在两个凸透镜的焦点处有一小孔，通过小孔选取+1级衍射图案；用于辅助光学滤波，通过适当地设计第一个傅里叶变换面，将特定级次的光滤波出来，实现滤波效果。

所述第二光调制器206，也采用液晶空间光调制器，置于4f透镜组205后方的光路中，用于加载所制作的m×n阵列涡旋全息图，当m×n阵列高斯光束垂直入射到m×n阵列涡旋全息图，将其转换为m×n阵列涡旋光束，得到m×n阵列涡旋光束传输通道。

每个涡旋光束通道可进行独立OAM调控，即每个通道都可以调控任意模式的OAM光束。根据OAM键控编码，由于每个OAM光束都可以编码一个码元的数据信息进行传输，对于m×n阵列涡旋光束而言，可同时编码m×n个码元数据信息传输。

结合图3，本实施例提供的光通信系统的接收端，用于同时接收多通道OAM采集的强度图案并对编码OAM的数据进行并行解码，以恢复原数据信息，包括凸透镜301，探测器302和计算机303。

所述凸透镜301，置于第二光调制器206后方，用于会聚信号源；

所述探测器302，为CMOS相机，也可以是CCD相机，置于凸透镜301后方的光路中，用于采集多通道强度图案；

所述计算机303，用于预处理探测器302接收到的强度图案，通过预训练的深度学习网络识别出接收到的OAM模式，再根据OAM编码规则，实现数据信息的解码。

所述计算机303与第一光调制器204、第二光调制器206、探测器302连接。

下面简要介绍达曼光栅的原理及达曼光栅全息图的制作：

达曼光栅为一种经典的二值型相位光学元件，具有特定的栅格结构，可以用于将入射光均匀分开，且具有较高的衍射效率。达曼光栅的特殊分光取决于其特定的栅格结构，即在某个周期内设置一组或多组相位为0和π的栅格。当一束入射光波照射到达曼光栅后，达曼光栅会对入射光波施加一个空变相移，这使得该入射光波在远场形成等间隔、等强度的光束阵列分布。图4为本实施例中制作的一个2×2阵列达曼光栅全息图，其由一个横向的1×2一维二元型达曼光栅和一个纵向的2×1二元型一维达曼光栅通过逻辑运算制作而成，其中白色区域表示相位π，黑色区域表示相位0。

图5为本实施例中制作的一个2×2阵列涡旋全息图，其为2行2列4通道的二维二元型相位全息图，每个通道分别对应一个子涡旋全息图。具体地，在4个通道处分别整合了一个OAM拓扑荷数为+2，一个拓扑荷数为+4，一个拓扑荷数为+6，一个拓扑荷数为+8共4个子涡旋相位全息图。值得说明地是，为了得到一个较高质量的阵列涡旋光束，需要将该阵列涡旋全息图各通道子全息图的中心对准阵列高斯光束的各通道中心。

图6为系统发送端出射的被探测器接收到的2×2阵列4通道OAM光束的强度图，每个通道的OAM模式和图5所示的2×2阵列涡旋全息图的拓扑荷数规定的一致。

如图7所示，其展示了一个基于所提系统进行4图像4OAM通道并行传输的实例。4个通道分别对应4幅待传输图像，其中：通道I传输110×110像素的小狗灰度图像；通道II传输110×110像素的小猫灰度图像；通道III传输110×110像素的老虎灰度图像；通道IV传输110×110像素的公牛灰度图像。根据图像字节进制转换，将4个通道的图像都转换为110×110×2像素的十六进制数值。根据OAM键控编码规则，对像素数值‘0-15’的16个灰度进行16个OAM模式的一对一编码映射。选用的16个OAM模式的拓扑荷数为从+1到+16，并将其对应的相位全息图加载到第二光调制器上。经过第二光调制器出射的编码像素信息的OAM阵列光束在经过了一段2米长距离的自由空间传输后被探测器采集下来，之后将其输入到预训练的深度学习网络模型并输出每个通道解调的模式。当所有编码像素的相位全息图在第二光调制器上切换完毕后，以及所有通道的所有OAM模式通过预训练的深度学习网络模型解调后，再根据图像字节进制逆转换在各通道还原为110×110尺寸的图像。所有的图像都得到了高保真度的恢复。与传统单通道图像传输相比，本发明的多通道图像传输，调控灵活，传输容量大，效率高，可适用于多路OAM光通信的光信息多通道并行传输应用场景。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101：制作一个m×n阵列达曼光栅，在发送端，通过该m×n阵列达曼光栅将入射的单个高斯光束转化成m×n阵列高斯光束，得到m×n阵列高斯光束传输通道；

步骤102：根据OAM键控编码，制作m×n阵列涡旋全息图以匹配m×n阵列高斯光束传输通道，当m×n阵列高斯光束垂直入射到m×n阵列涡旋全息图，转换为m×n阵列涡旋光束，得到m×n阵列涡旋光束传输通道，并进行多通道并行传输；

步骤103：在接收端，通过预训练的深度学习网络模型从探测器采集到的阵列强度图像中并行检测相应通道的OAM模式，再根据OAM键控编码分别对OAM模式进行数据解码，恢复数据信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信方法，其特征在于：步骤101中制作一个m×n阵列达曼光栅全息图加载到光调制器上，实现等同于达曼光栅光学元件的效果。

3.根据权利要求2所述的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信方法，其特征在于：所述m×n阵列达曼光栅全息图为m行n列的二维二元相位型达曼光栅全息图。

4.根据权利要求3所述的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信方法，其特征在于：所述m×n阵列涡旋全息图为由m×n个子涡旋全息图构成的整合涡旋全息图，每个子涡旋全息图为二维二元相位型涡旋全息图。

5.根据权利要求4所述的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信方法，其特征在于：所述m×n阵列涡旋全息图的各子涡旋全息图的中心与m×n阵列高斯光束中心保持一致。

6.根据权利要求5所述的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信方法，其特征在于：所述预训练的深度学习网络，为深度残差结构网络，针对m×n通道，对应设置m×n个子网络模型。

7.一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统，其特征在于：包括发送端和接收端，所述发送端包括线偏型激光器(201)、半波片(202)、透镜组(203)，第一光调制器(204)，4f透镜组(205)和第二光调制器(206)，

所述线偏型激光器(201)，用于产生线偏振的高斯光束；

所述半波片(202)，置于线偏型激光器(201)后方的光路中，用于调节光束的偏振态；

所述透镜组(203)，置于半波片(202)后方的光路中，用于光束扩束，实现不同倍数的扩束效果；

所述第一光调制器(204)，置于透镜组(203)后方的光路中，用于加载m×n阵列达曼光栅全息图，将入射的单个高斯光束转化成m×n阵列高斯光束，得到m×n个高斯光束信号源传输通道；

所述4f透镜组(205)，置于第一光调制器(204)后方的光路中，用于辅助光学滤波；

所述第二光调制器(206)，置于4f透镜组(205)后方的光路中，用于加载m×n阵列涡旋全息图，当m×n阵列高斯光束垂直入射到m×n阵列涡旋全息图，将其转换为m×n阵列涡旋光束，得到m×n阵列涡旋光束传输通道；

所述接收端，用于同时接收多通道OAM采集的强度图案并对编码OAM的数据进行并行解码，以恢复原数据信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统，其特征在于：所述接收端包括凸透镜(301)，探测器(302)和计算机(303)；

所述凸透镜(301)，置于第二光调制器(206)后方，用于会聚信号源；

所述探测器(302)，置于凸透镜(301)后方的光路中，用于采集多通道强度图案；

所述计算机(303)，用于预处理探测器(302)接收到的强度图案，通过预训练的深度学习网络识别出接收到的OAM模式，再根据OAM编码规则，实现数据信息的解码。

9.根据权利要求8所述的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统，其特征在于：所述透镜组(203)包括两个不同焦距的凸透镜；所述4f透镜组(205)也包括两个不同焦距的凸透镜，在两个凸透镜的焦点处设置小孔，通过小孔选取+1级衍射图案。

10.根据权利要求9所述的一种基于达曼光栅的多通道轨道角动量光通信系统，其特征在于：所述第一光调制器(204)、第二光调制器(206)采用液晶空间光调制器，探测器(302)采用CMOS相机或CCD相机，计算机(303)与第一光调制器(204)、第二光调制器(206)、探测器(302)连接。