CN208420171U - 一种基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别装置，涉及光通信技术。本装置是：He‑Ne激光器和第1分束器前后连通，第1分束器分别与第1空间光调制器和第2空间光调制器连通，第1空间光调制器和第2空间光调制器分别与第2分束器连通，第2分束器、第1数字微镜设备、第2数字微镜设备、第3数字微镜设备、透镜和电荷耦合摄像机依次连通。本实用新型使用数字微镜设备实现复用多模式轨道角动量光束的分离与识别；利用相位补偿机制，实现对各个光斑相位的畸变校正；利利用衍射识别机理，实现对任意模式轨道角动量的模式识别，整体实现对多模式轨道角动量光束的同时模式识别。

Description

一种基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别装置

技术领域

本实用新型涉及光通信技术，尤其涉及一种基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别装置。

背景技术

轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)光束也称为涡旋光束，是指其波前包含一个螺旋相位结构，且光场强度分布呈现为圆环结构特点；OAM光束的螺旋相位函数表达式为exp(ilθ)，其中，θ是角坐标，l是方位角指数，l的大小数值决定了OAM光束的拓扑荷数。理论上，OAM光束的拓扑荷数可以任意的改变，并且不同的OAM状态彼此正交。由于OAM光束具有这些独有的特性，使其在光学操作、遥感技术、光学镊子、量子信息技术和自由空间光通信等方面有着很大的潜在应用价值。因此，精确测量OAM光束的拓扑荷数，包括OAM模式的数值和模式的正负，对于OAM光束在各领域中的应用与研究有着重要意义。

近年来，关于OAM光束在光通信中的应用研究已经吸引诸多学者们的关注。在传统的OAM光通信的研究中，人们普遍利用空间光调制器实现对光场的调控。随着光通信的发展，数字微镜设备具备光场超强调控性能等优点被利用到了OAM光束的产生中，而数字微镜设备应用于OAM光束模式识别的研究鲜有报道。在光通信中，不同拓扑荷数的OAM光束可以实现模式复用通信，对多模式复用的OAM进行模式识别是光通信等应用研究中的重要一环，也是亟待解决的难题。现阶段，OAM光束模式识别研究主要还局限于对单模式OAM光束的模式识别，对双模式或其以上多模式的OAM光束模式识别的研究鲜有报道。一般OAM光束的相位分布图能很好地揭示OAM光束的模式信息，其包含OAM光束的拓扑荷数，但是在实际检测中OAM光束的相位很难获取，因而通过研究其光场分布来测量OAM光束的模式状态将变得相对容易。OAM模式识别方法大致分为两种，一种为干涉识别法，另一种为衍射识别法。干涉识别法主要是利用Mach-Zehnder干涉仪使两种模式数相反的OAM光束进行干涉，通过观测干涉后的图案规律，能精准地测量出OAM光束模式的数值，但该方法不能识别出OAM光束模式的正负。衍射识别法主要是一种利用光栅衍射来实现对OAM模式的识别，其原理是将OAM光束照射在加载了特定光栅的空间光调制器上，通过光束的衍射能得到具有规律性的衍射图案，对衍射图案中明暗条纹分布规律的分析，实现OAM对光束模式测量。局限的使用干涉或者衍射识别的方法难以解决多模式OAM光束模式识别的问题，其主要原因在于复用光束在进行干涉或衍射时，不同模式的OAM光束之间存在着严重串扰，而且这种串扰难以消除。以上的方法思路简便，实际链路的搭建较为简单，但是同一时间只能识别一种OAM光束，难以实现对多模式复用的OAM光束进行模式识别。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有的技术存在的缺点和不足，提供一种基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别装置。该系统突破传统的OAM光束模式识别的方法，结合光束分离技术和衍射识别技术，实现对多模式OAM光束的模式识别。同时本实用新型利用价格便宜性能较好的数字微镜设备来代替价格昂贵的空间光调制器实现OAM模式识别，同时，这种方法与当前已有的实现OAM模式识别的方法相比，具有多模式识别优势。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案具体实现如下：

一、基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别装置(简称装置)

本装置包括He-Ne激光器、第1分束器、第1空间光调制器、第2空间光调制器、第2分束器、第1数字微镜设备、第2数字微镜设备、第3数字微镜设备、透镜和电荷耦合摄像机；

其连通关系是；

He-Ne激光器和第1分束器前后连通，第1分束器分别与第1空间光调制器和第2空间光调制器连通，第1空间光调制器和第2空间光调制器分别与第2分束器连通，第2分束器、第1数字微镜设备、第2数字微镜设备、第3数字微镜设备、透镜和电荷耦合摄像机依次连通。

二、基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别方法(简称方法)

本方法包括下列步骤：

①He-Ne激光器发出的高斯光通过第1分束器分成两路不同方向的高斯光b、c；

②高斯光b、c分别照射到加载不同模式叉型图的第1空间光调制器、第2空间光调制器上，制得相应模式的OAM光束d、e；

③将OAM光束d、e照射在第2分束器上，从而使其合束，制得多模式OAM复用光f；

④由于多模式OAM复用光f中各模式OAM光对应的光环半径各不相同，因此通过光束分离技术中的坐标转换技术，将多模式OAM复用光f照射在加载坐标转换光栅的第1数字微镜设备中，使多模式OAM复用光中不同模式的OAM光分离到同一坐标系下的不同坐标位置；

⑤由于光束在自由空间中传输时会受到大气湍流造成的畸变影响，因此需要对分离出来的各模式OAM光进行相位矫正，将同一坐标系下，不同模式分离在不同坐标位置的复用OAM光通过加载了相位补偿光栅的第2数字微镜设备，制得补偿后较好的各模式OAM光；

⑥利用衍射识别技术，在第3数字微镜设备中加载相应识别光栅，将补偿后较好的各模式OAM光照射在上面，得到各模式OAM光对应的条纹光图；

⑦通过电荷耦合摄像机检测到由透镜聚焦过来的各模式OAM光对应的条纹光图，对其光斑在电荷耦合摄像机上形成的个数判断出是几种OAM光束的复用，同时对单个光斑具有的明暗相间的条纹数规律分析获得对应模式OAM光束的拓扑荷数。

本实用新型的创新点：

1、使用数字微镜设备实现多种复用轨道角动量的分离，利用坐标转换原理，实现复用的轨道角动量光束分离，形成多个光斑；

2、使用数字微镜设备测量轨道角动量，设计一种特殊的光栅结构，利用光的衍射原理，实现对轨道角动量的识别功能；

3、结合复用轨道角动量分离技术和测量技术，利用了数字微镜设备对光场的超强调控作用，实现对多种复用轨道角动量的模式识别。

与现有技术相比，本实用新型具有下列优点和积极效果：

①实现了对多模复用OAM光束的模式识别；

②设备价格相对便宜，操作简单；

③结构简单，易于实现。

附图说明

图1是本装置的结构方框图；

图2是在第1数字微镜设备6中加载坐标转换光栅原理图；

图3是在第2数字微镜设备7中加载相位补偿光栅原理图；

图4是在第3数字微镜设备8中加载坐标衍射识别原理图。

图中：

1—He-Ne激光器；

2—第1分束器(BS1)；

3—第1空间光调制器(SLM1)；

4—第2空间光调制器(SLM2)；

5—第2分束器(BS2)；

6—第1数字微镜设备(DMD1)；

7-第2数字微镜设备(DMD2)；

8—第3数字微镜设备(DMD3)；

9—透镜；

10—电荷耦合摄像机(CCD)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

一、装置

1、总体

如图1，本装置包括He-Ne激光器1、第1分束器2、第1空间光调制器3、第2空间光调制器4、第2分束器5、第1数字微镜设备6、第2数字微镜设备7、第3数字微镜设备8、透镜9和电荷耦合摄像机10；

其连通关系是；

He-Ne激光器1和第1分束器2前后连通，第1分束器2分别与第1空间光调制器3和第2空间光调制器4连通，第1空间光调制器3和第2空间光调制器4分别与第2分束器5连通，第2分束器5、第1数字微镜设备6、第2数字微镜设备7、第3数字微镜设备8、透镜9和电荷耦合摄像机10依次连通。

2、功能部件

1)He-Ne激光器1

He-Ne激光器1是一种波长在1550nm的不可见光激光器。

该器件是提供波长为1550nm的高斯光。

2)第1分束器2

第1分束器2是一种将光束分束或合束的光学器件。

该器件是将一束光平均分为射向不同方向的多束光，即将光束a分束为光束b和光束c。

3)第1空间光调制器3

第1空间光调制器3是一种施加信息量于二维光学数据场的器件；

该器件可以空间的改变二维光场的相位、偏振和强度分布。

其功能是在光束的光场分布上附加不同的螺旋相位因子，形成不同的OAM光束：

第1空间光调制器3用于产生拓扑值为l₁的OAM光束。

4)第2空间光调制器4

第2空间光调制器4和第1空间光调制器3为同一种器件；

第2空间光调制器4用于产生拓扑值为l₂的OAM光束。

5)第2分束器5

第2分束器5和第1分束器2为同一种器件；

该器件是将多束光合束成一束光，即将光束d和光束e合束成光束f。

6)第1数字微镜设备6

第1数字微镜设备6是一种利用旋转反射镜实现光开关的开合器件，它可以空间的改变二维光场的相位、偏振和强度的分布。

其功能是通过附加一个特定的坐标转换光栅对光场进行调控，实现光场的坐标转换，使入射光的坐标发生转化。

7)第2数字微镜设备7

第2数字微镜设备7和第1数字微镜设备6为同一种器件；

其功能是通过附加一个特定的相位校正光栅实现对光场相位校正，利用DMD对光场的超强调控实现相位补偿；

8)第3数字微镜设备8

第3数字微镜设备8和第1数字微镜设备6为同一种器件；

其功能是附加一个特定的衍射识别光栅，利用光的衍射原理，将光场的相位，强度分布转换成条纹图。

9)透镜9

透镜9是一种具有聚光和相位变换作用的光学透镜；

其功能是利用其光学特性将光束j进行一个相位变换，使其更好地在电荷耦合摄像机10上成像。

10)电荷耦合摄像机10

电荷耦合摄像机10是一种可以将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号的器件。

其功能是捕捉经过透镜9转换后的光束，并将其光场的分布高质量地成像。

3、工作机理

OAM光束的坐标转换原理和相位校正补偿的结合可用来实现复用OAM光束的分离技术，利用多模式OAM光束的分离技术结合单模式OAM光束的衍射识别方法，最终可以实现对多模式复用OAM光束的模式识别。

如图1，激光器1发出的高斯光a经过第1分束器2分成两路高斯光b、c，然后光束b、c分别通过第1、2空间光调制器3、4生成具有不同拓扑值的OAM光束d、e，其中d光束的拓扑值为l₁(-20<l₁<＝20),e光束的拓扑值为l₂(-20<l₂<＝20)，之后经过第2分束器5进行合束，以实现OAM光束的复用，获得双模式复用的OAM光束f；

由于OAM光束的光强分布呈圆环结构特点，且不同拓扑荷数的OAM光束彼此正交，因而通过对第1数字微镜设备6加载特定的坐标转换光栅，调控第1数字微镜设备6内部的微小镜片，实现OAM光束光场坐标转化，将光束f转换为光束g，由于OAM光束的坐标转换会使光束发生相位畸变，为解决这一问题，在第2数字微镜设备7中附加特定的畸变补偿光栅，对光束g进行相位校正，进而消除畸变形成光束h；

再对第3数字微镜设备8附加特殊衍射识别光栅，利用远场衍射原理将光束h转变为具有规律性场强分布的光束j，最后通过透镜9，聚焦到电荷耦合摄像机10接收，即可以观测到两个具有一定间距的由明暗相间的条纹组成的光斑，通过判断光斑形成的个数可以判断是几种OAM光束的复用，同时对单个光斑具有的明暗相间的条纹数规律分析，可以获得对应模式OAM光束的拓扑荷数。

4、对第1、2、3数字微镜设备6、7、8附加的特殊光栅进一步说明

在第1数字微镜设备(6)中加载坐标转换光栅，将复用光束f中不同模式的光分离在不同坐标下；

在第2数字微镜设备(7)中加载相位补偿光栅，对不同OAM光在湍流传输中所受到的相位畸变进行补偿；

在第3数字微镜设备(8)中加载衍射识别光栅，将不同模式OAM分别进行衍射识别，得到其相应条纹图。

如图2、3、4，特殊光栅原理表达式如下：

1)第1数字微镜设备6中坐标转换光栅函数表达式：

式中x,y代表光束的横、纵坐标，a、b是缩放长度，f是傅里叶透镜焦距，λ是光束波长。

2)第2数字微镜设备7中相位校正光栅函数表达式：

式中x,y代表光束的横、纵坐标，a、b是缩放长度，f是傅里叶透镜焦距，λ是光束波长，u、v是输出平面上的坐标。

3)第3数字微镜设备8中可选用光栅函数表达式：

A、圆形幅度光栅：

式中r是光栅参数，a是光栅周期；

B、圆形相位光栅：

t₂(r)＝exp(i2πr/a)

式中r是光栅参数，a是光栅周期；

C、条形渐变光栅

式中x、y是光栅参数，T₁、T₂是光栅周期，n₁、n₂是渐变参数。

入射涡旋光束与特殊光栅发生衍射函数表达式：

(x,y)是远场的柱坐标；(ξ,η)是光栅的柱坐标；l是拓扑值，k是波矢，z是距离，OAM_l是l模式的OAM光模型，t(r)是光栅表达式。

Claims (2)

1.一种基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别装置，其特征在于：

包括He-Ne激光器（1）、第1分束器（2）、第1空间光调制器（3）、第2空间光调制器（4）、第2分束器（5）、第1数字微镜设备（6）、第2数字微镜设备（7）、第3数字微镜设备（8）、透镜（9）和电荷耦合摄像机（10）；

其连通关系是；

He-Ne激光器（1）和第1分束器（2）前后连通，第1分束器（2）分别与第1空间光调制器（3）和第2空间光调制器（4）连通，第1空间光调制器（3）和第2空间光调制器（4）分别与第2分束器（5）连通，第2分束器（5）、第1数字微镜设备（6）、第2数字微镜设备（7）、第3数字微镜设备（8）、透镜（9）和电荷耦合摄像机（10）依次连通。

2.按权利要求1所述的识别装置，其特征在于：

在第1数字微镜设备（6）中加载坐标转换光栅；

在第2数字微镜设备（7）中加载相位补偿光栅；

在第3数字微镜设备（8）中加载衍射识别光栅。