WO2019210522A1 - 基于干涉分离技术的 oam 解复用方法及装置 - Google Patents

基于干涉分离技术的 oam 解复用方法及装置 Download PDF

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demultiplexing
composite
vortex
interference separation
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郭忠义
沈飞
郭凯
周红平
周清峰
黄培
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东莞理工学院
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    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/112—Line-of-sight transmission over an extended range
    • H04B10/1129—Arrangements for outdoor wireless networking of information

Definitions

  • the present invention relates to an OAM demultiplexing technique, and more particularly to an OAM detection technique based on interference separation techniques.
  • SAM Spin Angular Momentum
  • OAM Orbital Angular Momentum
  • SAM is related to the circular polarization of electromagnetic fields.
  • OAM is related to the phase structure of electromagnetic fields.
  • SAM and OAM of the electromagnetic field can be converted into each other, and the total angular momentum conservation can be maintained without the angular momentum exchange with the external system.
  • wireless communication has also developed toward high bandwidth and high speed. How to make rational use of spectrum resources and improve spectrum utilization and coding efficiency has become a research hotspot in the wireless field today.
  • the demultiplexing technique of the OAM state is very simple, mainly by converting the vortex beam into a Gaussian beam by an anti-phase plate method, and the method brings about many unnecessary energy losses.
  • OAM channel demultiplexing is realized by designing an optical diffraction element, and a Daman fork grating is proposed for this purpose.
  • the Daman-type fork-shaped grating is the best demultiplexing device to date.
  • the selection of the O AM state by such a grating is strict and immutable, and the vortex beams of different OAM states cannot be arbitrarily distributed, and the controllability is poor. Therefore, the present application proposes an efficient OAM demultiplexing based on a combination of interference separation and efficient optical diffraction elements.
  • the present invention performs demodulation detection by combining a vortex light of a composite OAM state through a Dove prism to perform a parity OAM state and then passing through a composite phase hologram.
  • the method avoids inserting different delay plates or using multiple cascaded interferometers to separate a single spiral beam or two coaxial superimposed coherent and incoherent spiral beams according to the parity of the 0 AM state, and then pass the designed efficiency.
  • the composite phase hologram is demodulated to achieve efficient demultiplexing of the OAM channel.
  • the present invention provides an OAM demultiplexing device based on interference separation technology, which is divided into two parts, the first part is an OAM interference separation device, and the second part is a composite phase.
  • OAM interference separation device comprises two dove prisms, two plane mirrors and two optical beam splitters, arranged in a rectangular position according to the equal path length, and the relative angles of the positions of the two dove prisms are kept different by 90. °
  • SLM2 and SLM3 are provided at output ports A and B, and the composite phase holograms are set on SLM2 and SLM3, respectively.
  • the composite phase hologram is designed by a spatial light modulator and MATL AB simulation software.
  • the SLM is a 1280 ⁇ 1280 pixel spatial light modulator with an update frequency of 20 us.
  • the optical beam splitter is a single-sided phase-changing beam splitter that achieves a phase change that is achieved by incident from a fixed direction.
  • a CCD optical camera is further included, which is provided to collect pictures at SLM2 and SLM3, respectively.
  • the different ports are detected; according to the odd part of the OAM state of the substrate, the demodulated composite phase hologram of the port A is designed to detect the odd OAM state; The even part of the OAM state, designed as a demodulated composite phase hologram of port B, used to detect even numbers AM state
  • the method further includes the steps of: changing the transmitted information by changing the phase hologram of the SLM1 to change the transmitted composite vortex beam, and then sequentially passing through the above system until all pixels on one picture The value is transferred.
  • the present invention utilizes the interference characteristics of the vortex beam, and the phase-superimposed interference cancellation characteristic of the phase difference, the phase is rotated by the dove prism, and the polynomial OAM state can be separated by superposition using the beam splitter. After the separation of the composite vortex beam, the distribution of bright spots can be observed at each diffraction level through the designed composite phase hologram, realizing a more efficient demultiplexing of the composite OAM channel. This method is more efficient and consumes less energy than the traditional reverse phase plate demultiplexing method. It has great significance for the OAM communication system.
  • 1 is a framework diagram of an efficient OAM demultiplexing system based on interference separation technology
  • FIG. 2 is a composite vortex beam obtained by a non-passing port after parity separation
  • FIG. 3 is a demultiplexed light intensity diagram of a composite vortex beam of different ports through an efficient composite phase hologram
  • BS optical beam splitter
  • DP dove prism
  • M plane mirror
  • L lens
  • CCD optical camera
  • d distance
  • SLM spatial light modulator
  • the present invention is based on a conventional vortex beam interference separation technique, which is designed according to practical applications.
  • an OAM demultiplexing device based on the interference separation technique can be established.
  • the device is divided into two parts.
  • the first part is an OAM interference separation device consisting of two Dove prisms (DP 1 and DP2) and optical beam splitters (BS1 and BS2).
  • the second part is The composite phase hologram designed by the spatial light modulator (SLM) and MATLAB simulation software is diffracted to different positions, and the OAM state is determined by the bright point of the diffraction order.
  • SLM spatial light modulator
  • the demodulated composite phase hologram of port A is designed to detect the odd OAM state.
  • the demodulated composite phase hologram of port B is designed. Figure, specifically used to detect even OAM states.
  • the SLM is a 1280 ⁇ 1280 pixel spatial light modulator with an update frequency of 20 us.
  • the vortex laser is an ammonia krypton laser having a wavelength of 1550 nm, a beam waist radius of 3.5 mm, and a transmission distance of lm.
  • the optical beam splitter is a single-sided phase-changing beam splitter that achieves phase changes when incident from a fixed direction.
  • phase hologram is designed by MATLAB simulation software according to an iterative algorithm.
  • MATLAB is the country
  • the numerical simulation calculation tool used both inside and outside, the phase hologram produced by the phase hologram is input into the spatial light modulator (slm) to realize the manipulation of the phase of the light field.
  • Embodiment 1 is a diagrammatic representation of Embodiment 1:
  • a set of vortex beams of different OAM states is selected as a base, and according to the parity classification, it can be divided into a sum.
  • a Gaussian beam emitted by a beam of ammonia laser is incident on the SLM1 to generate a composite vortex beam with a plurality of OAM states, and carries corresponding information for transmission in free space;
  • the receiver After a period of transmission, the receiver is reached.
  • the composite vortex beam first enters the OAM interference separation device, and an odd topologically complexed vortex beam, such as a composite vortex beam, is output at port A at port A;

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Abstract

本发明提供了一种基于干涉分离技术的OAM解复用装置和方法。该装置分为两个部分，第一部分是OAM干涉分离装置，第二部分是复合相位全息图；OAM干涉分离装置包括两个道威棱镜、两个平面镜和两个光学分束器，按照等光程的方式按照矩形位置摆放，两个道威棱镜放置位置的相对角度保持相差90°；在输出端口A和B处设有SLM2和SLM3，复合相位全息图分别设置在SLM2和SLM3上。比起传统的单个解复用方法，该方法更高效，能同时解复用多路OAM信道。与达曼涡旋光栅相比，该方法对每个衍射级的涡旋光束可控性更高，对于OAM通信系统有着很大的意义。

Description

说明书 发明名称:基于干涉分离技术的 OAM解复用方法及装置 技术领域
[0001] 本发明涉及 OAM解复用技术， 尤其涉及基于干涉分离技术的 OAM检测技术。
背景技术
[0002] 根据麦克斯韦方程， 电磁福射同时载有能量和动量， 其动量包括线动量和角动 量。 其中角动量可以分为两个部分 :自旋角动量 (Spin Angular Momentum, SAM) 和轨道角动量 (Orbital Angular Momentum, OAM) , SAM与电磁场的圆极化特性 相关， OAM与电磁场的相位结构相关， 总体来说， 电磁场的 SAM与 OAM是可以 相互转化的， 在没有与外界系统角动量交换的条件下， 可以维持总的角动量守 恒。 近年来， 随着通信技术的发展， 无线通信也向着高带宽、 高速率的方向发 展。 如何合理的利用频谱资源， 提高频谱利用率和编码效率， 成为当今无线领 域的一个研究热点。 自从 L.Allen证明携带有的相位因子的电磁波带有电磁轨道 角动量 (OAM)， 其中代表 OAM态， 我们称之为拓扑荷。 由于理论上不同 OAM态 之间是相互正交的， 所以近些年人们希望电磁波的 OAM态在通信领域中能够很 好地得到应用， 成为提高通信速率以及编码效率的基础， 在学术界得到了广泛 的研究。
[0003] 目前， OAM态的解复用技术十分单一， 主要是通过反相位板的方法来将渦旋 光束转换成高斯光束， 并且该方法会带来许多不必要的能量损失。 为此人们通 过设计光学衍射元件来实现 OAM信道多路解复用， 为此又提出了达曼叉形光栅 。 达曼型叉形光栅是迄今为止同时解复用效果最好的器件。 但是， 这种光栅对 O AM态的选取要求严格， 并且不可变， 不同 OAM态的渦旋光束不能任意分布， 可 控性较差。 因此本申请提出一种基于干涉分离和高效光学衍射元件结合的方式 来实现高效的 OAM解复用。
发明概述
技术问题
问题的解决方案 技术解决方案
[0004] 本发明通过将复合 OAM态的渦旋光通过道威棱镜进行奇偶 OAM态分离， 再通 过复合的相位全息图进行解调检测。 该方法避免插入不同的延迟板或使用多个 级联干涉仪就可以将单螺旋光束或者两个同轴叠加相干和非相干螺旋光束按照 0 AM态的奇偶数进行分离， 再通过所设计的高效复合相位全息图进行解调， 从而 实现 OAM信道的高效解复用。
[0005] 为了解决现有技术中问题， 本发明提供了一种基于干涉分离技术的 OAM解复 用装置， 该装置分为两个部分， 第一部分是 OAM干涉分离装置， 第二部分是复 合相位全息图； OAM干涉分离装置包括两个道威棱镜、 两个平面镜和两个光学 分束器， 按照等光程的方式按照矩形位置摆放， 两个道威棱镜放置位置的相对 角度保持相差 90° ; 在输出端口 A和 B处设有 SLM2和 SLM3， 复合相位全息图分别 设置在 SLM2和 SLM3上。
[0006] 作为本发明的进一步改进， 所述复合相位全息图是通过空间光调制器和 MATL AB仿真软件设计。
[0007] 作为本发明的进一步改进， 所述 SLM是一个 1280X1280像素的空间光调制器， 更新频率为 20us。
[0008] 作为本发明的进一步改进， 所述光学分束器是一个单面相位变化的分束器， 从 固定方向入射会实现的相位变化。
[0009] 作为本发明的进一步改进， 还包括 CCD光学相机， 分别设置用来收集 SLM2和 S LM3处的图片。
[0010] 基于干涉分离技术的 OAM解复用方法， 其利用上述任意一项所述的装置， 具 体步骤如下：
[0011] (1)当一束复合 OAM态的渦旋激光进入解复用装置后， 首先对于 OAM奇偶干涉 分离部分， 将两个道威棱镜、 两个平面镜和两个单面分束器按照等光程的方式 按照矩形位置摆放， 两个道威棱镜位置放置的相对角度要保持相差 90° ;
[0012] (2)通过奇偶分离之后， 再对不同端口进行检测； 根据基底的 OAM态中的奇数 部分， 设计成端口 A的解调复合相位全息图， 用来检测奇数 OAM态； 根据基底 的 OAM态中的偶数部分， 设计成端口 B的解调复合相位全息图， 用来检测偶数 0 AM态；
[0013] (3)经过一段时间的传输后， 到达该系统的奇偶分离端， 通过分束器形成了两 路光束， 最后在输出端口 A和 B上， A端口输出的是奇数 OAM态的复合渦旋光束 ， 输出端口 B的是偶数 OAM态复合的渦旋光束， 两个端口输出的复合渦旋光束 分别入射到 SLM2和 SLM3上， 经过解复用后， 在不同的衍射级会有不同 OAM态 的渦旋光束转化为高斯亮点， 实现 OAM信道的解复用。
[0014] 作为本发明的进一步改进， 还包括如下步骤： 通过更新 SLM1的相位全息图来 改变发送的复合渦旋光束来改变传输的信息， 再依次经过上述系统， 直到一张 图片上的所有像素值传输完毕。
发明的有益效果
有益效果
[0015] 本发明的有益效果是：
[0016] 本发明利用渦旋光束的干涉特性， 通过相差的相位叠加干涉相消的特点， 通过 道威棱镜将相位进行旋转， 再使用分束器进行叠加可以将奇偶 OAM态进行分离 。 分离后的复合渦旋光束， 在经过所设计的复合相位全息图可以在每个衍射级 上观察到亮点的分布， 实现了更加高效的复合 OAM信道的解复用。 比起传统的 反相位板解复用方法， 该方法更高效， 损失的能量更小。 对于 OAM通信系统有 着很大的意义。
对附图的简要说明
附图说明
[0017] 图 1是基于干涉分离技术的高效 OAM解复用系统框架图；
[0018] 图 2是通过奇偶分离后的不通过端口所得到的复合渦旋光束；
[0019] 图 3是不同端口的复合渦旋光束经过高效复合相位全息图的解复用光强图；
[0020] 图 1中： BS: 光学分束器； DP: 道威棱镜； M: 平面镜； L: 透镜； CCD: 光 学相机； d: 距离； SLM： 空间光调制器。
发明实施例
本发明的实施方式 [0021] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0022] 本发明是基于传统的渦旋光束干涉分离技术， 根据实际应用进行设计的。 根据 渦旋光束不同 OAM态之间的正交性， 可以建立一套基于干涉分离技术的 OAM解 复用装置。 如图 1所示： 该装置分为两个部分， 第一部分是由两个道威棱镜 (DP 1和 DP2) 和光学分束器 (BS1和 BS2) 组成的 OAM干涉分离装置， 第二部分是 通过空间光调制器 (SLM) 和 MATLAB仿真软件所设计的复合相位全息图， 经 过衍射到不同的位置， 对衍射级的亮点来进行 OAM态的判定。
[0023] 基于干涉分离技术的 OAM解复用方法， 具体步骤如下：
[0024] (1)当一束复合 OAM态的渦旋激光进入解复用装置后， 首先对于 OAM奇偶干涉 分离部分， 将两个道威棱镜， 两个平面镜 (Ml和 M2) 和两个单面分束器 (BS : Beam splitters) 按照等光程的方式按照矩形位置摆放， 要注意两个道威棱镜分 别要相差 90°， 位置放置的相对角度要保持相差 90°， 如图 1的 DPI和 DP2的摆放位 置， 以实现渦旋相位的旋转。
[0025] (2)通过奇偶分离之后， 再对不同端口进行检测。 根据基底的 OAM态中的奇数 部分， 设计成端口 A的解调复合相位全息图， 专门用来检测奇数 OAM态； 根据 基底的 OAM态中的偶数部分， 设计成端口 B的解调复合相位全息图， 专门用来 检测偶数 OAM态。
[0026] (3)经过一段时间的传输后， 到达该系统的奇偶分离端， 通过分束器形成了两 路光束， 最后在输出端口 A和 B上， A端口输出的都是奇数 OAM态的复合渦旋光 束， B端口输出的是偶数 OAM态复合的渦旋光束。 两个端口输出的复合渦旋光 束分别入射到 SLM2和 SLM3上， 经过解复用后， 在不同的衍射级会有不同 OAM 态的渦旋光束转化为高斯亮点， 实现 OAM信道的解复用。
[0027] SLM是一个 1280X1280像素的空间光调制器， 更新频率为 20us。
[0028] 渦旋激光为氨氖激光， 其波长为 1550nm， 束腰半径为 3.5mm， 传输距离为 lm
[0029] 光学分束器是一个单面相位变化的分束器， 从固定方向入射会实现的相位变化
[0030] 相位全息图是根据迭代算法通过 MATLAB仿真软件所设计的。 MATLAB是国 内外都用的数值仿真计算工具， 其所生产的相位全息图输入到空间光调制器 (slm )中就可以实现光场相位的操控。
[0031] 实施例 1:
[0032] 下面结合实施例对本发明进一步说明。
[0033] (1)选取一组不同 OAM态的渦旋光束作为基底， 按照奇偶分类， 可以分为和。
根据这两个子基底的拓扑荷生成平均能量分布的相位全息图， 并分别将其固定 到 SLM2和 SLM3中作为解复用装置；
[0034] (2)假设传输一种灰度图， 将图像的每个灰度值转化为二进制， 每八个信息位 对应一组拓扑荷， 例如 01101000对应为， 输入到所设计的迭代算法里用来生成 复合全息图， 并输入到 SLM1中作为编码端；
[0035] (3)在发射端， 一束氨氖激光器发射的高斯光束入射到 SLM1上就会生成带有多 个 OAM态的复合渦旋光束， 并且携带相应的信息在自由空间中进行传输；
[0036] (4)经过一段时间的传输后， 到达接收端。 复合的渦旋光束首先进入 OAM干涉 分离装置， 在端口 A输出奇数拓扑荷复合的渦旋光束， 例如的复合渦旋光束， 在 端口 B输出；
[0037] (5)通过更新 SLM1的相位全息图来改变发送的复合渦旋光束来改变传输的信息
， 再依次经过上述系统， 直到一张图片上的所有像素值传输完毕。
[0038] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认 定本发明的具体实施只局限于这些说明。 对于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干简单推演或替换， 都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 一种基于干涉分离技术的 OAM解复用装置， 其特征在于： 该装置分 为两个部分， 第一部分是 OAM干涉分离装置， 第二部分是复合相位 全息图； OAM干涉分离装置包括两个道威棱镜、 两个平面镜和两个 光学分束器， 按照等光程的方式按照矩形位置摆放， 两个道威棱镜放 置位置的相对角度保持相差 90° ; 在输出端口 A和 B处设有 SLM2和 SL M3 , 复合相位全息图分别设置在 SLM2和 SLM3上。
[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的基于干涉分离技术的 OAM解复用装置， 其特征 在于： 所述复合相位全息图是通过空间光调制器和 MATLAB仿真软 件设计。
[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的基于干涉分离技术的 OAM解复用装置， 其特征 在于： 所述 SLM是一个 1280X1280像素的空间光调制器， 更新频率为
20us
[权利要求 4] 根据权利要求 1所述的基于干涉分离技术的 OAM解复用装置， 其特征 在于： 所述光学分束器是一个单面相位变化的分束器， 从固定方向入 射会实现的相位变化。
[权利要求 5] 根据权利要求 1所述的基于干涉分离技术的 OAM解复用装置， 其特征 在于： 还包括 CCD光学相机， 分别设置用来收集 SLM2和 SLM3处的 图片。
[权利要求 6] 基于干涉分离技术的 OAM解复用方法， 其特征在于： 其利用权利要 求 1至 5任意一项所述的装置，
具体步骤如下：
(1)当一束复合 OAM态的渦旋激光进入解复用装置后， 首先对于 OAM 奇偶干涉分离部分， 将两个道威棱镜、 两个平面镜和两个单面分束器 按照等光程的方式按照矩形位置摆放， 两个道威棱镜位置放置的相对 角度要保持相差 90° ;
(2)通过奇偶分离之后， 再对不同端口进行检测； 根据基底的 OAM态 中的奇数部分， 设计成端口 A的解调复合相位全息图， 用来检测奇数 OAM态； 根据基底的 OAM态中的偶数部分， 设计成端口 B的解调复 合相位全息图， 用来检测偶数 OAM态；
(3)经过一段时间的传输后， 到达该系统的奇偶分离端， 通过分束器 形成了两路光束， 最后在输出端口 A和 B上， A端口输出的是奇数 OA M态的复合渦旋光束， 输出端口 B的是偶数 OAM态复合的渦旋光束， 两个端口输出的复合渦旋光束分别入射到 SLM2和 SLM3上， 经过解 复用后， 在不同的衍射级会有不同 OAM态的渦旋光束转化为高斯亮 点， 实现 OAM信道的解复用。
[权利要求 7] 根据权利要求 6所述的基于干涉分离技术的 OAM解复用方法， 其特征 在于： 还包括如下步骤： 通过更新 SLM1的相位全息图来改变发送的 复合渦旋光束来改变传输的信息， 再依次经过上述系统， 直到一张图 片上的所有像素值传输完毕。
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