一种模式和空间光交换的方法和装置与流程

本发明属于光通信和信息光学领域，涉及一种模式和空间光交换的方法和装置。

背景技术：

在经济全球化和全球信息化加速发展的背景下，互联网服务己逐渐成为现代服务业重要的组成部分，并成为世界经济和社会发展的重要推动力量。云服务作为下一代互联网服务的主流模式，将网络中的各种资源调动起来，为用户提供个性化、低成本的高效服务，成为未来互联网的重要发展趋势，也将成为现代服务业的核心。云服务正在让网络越来越多的扮演着分布式计算机接口的角色，这类型应用所需的网络带宽和数据处理能力是极大的。根据目前的发展速度，整个网络的容量将在未来十年至少提升100倍，而同期常规单模光纤通信系统容量的提升将会落后网络流量增速一个数量级。因此，如何可持续提高通信系统容量，以应对不断增长的容量需求，已成为了光通信亟待解决的关键问题。所有的光通信技术追根溯源都是围绕光波的维度资源展开，光波的基本维度资源包括幅度、相位、频率/波长、偏振、时间和横向空间分布。提升通信容量的各种复用技术和先进高级调制技术正是对光波的幅度、相位、频率/波长、偏振和时间维度资源的充分利用，但随着这些熟知光波维度资源被开发殆尽，光通信开始显现“新容量危机”。为了进一步提高光通信系统的容量，空分复用技术(Space-Division Multiplexing，SDM)在国内外引起了广泛关注。空分复用技术利用光子的空间维度，包括基于多模光纤或少模光纤的模分复用技术和基于多芯光纤的芯分复用技术。模分复用技术是指将不同的正交空间模式作为不同的传输信道，从而实现空间复用的技术。芯分复用是指空间上不同位置纤芯之间的复用，不同纤芯之间能量耦合很小，能保证稳定传输。类似在光通信发展过程中获得重大成功的波分复用(不同波长取值多样且正交)技术，空分复用技术作为一种全新的光纤中的信道复用技术也能有效提高光通信的通信容量。

同时，更大的数据量意味着更多的信息交互，因此，也迫切需要研究和发展新型大容量，高可靠度，低功耗，灵活开放的光交换技术。在波分复用系统中，波长选择开光已经广泛应用来实现信息交换，但是在空分复用系统中，类似作用的开关却很少。因此，在空分复用系统中，实现模式选择和空间选择开光是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明提供一种模式和空间光交换的方法和装置，目的在于在空分复用系统中实现信息交换，目标是构建并实现高可靠度，低功耗，灵活开放的模式和空间光交换，以便扩展和完善空分复用系统应用范围，通过空分复用技术进一步提高通信系统的容量。

本发明提供的一种模式和空间光交换的方法，其特征在于，输入多路光场位于不同空间位置，其具有相同或不同光场模式，经过模式和空间光交换传递函数的变换操作之后，输出多路光场；当传递函数仅实现模式交换时，所述输出多路光场相对于输入多路光场仅发生光场模式交换，不发生空间位置交换；当传递函数仅实现空间交换时，所述输出多路光场相对于输入多路光场不发生光场模式交换，仅发生空间位置交换；当传递函数同时实现模式和空间交换时，输出多路光场相对于输入多路光场能够同时发生光场模式交换和空间位置交换。

作为上述技术方案的改进，所述输入多路光场经过空间光交换之后，再分别经过波前矫正的传递函数的变换操作对偏转进行矫正，使输出多路光场与原来输入多路光场传播方向平行，输出多路光场和输入多路光场保持平行能够实现该模式和空间光交换方法具有可级联性，即平行输出的多路光场能够继续作为下一级模式和空间光交换的输入多路光场。

所述光场模式可以是自由空间、光纤以及其他传输媒介中不同光束或模式，包括自由空间中高斯光束(Gauss)、轨道角动量光束(OAM)、涡旋光束、拉盖尔-高斯光束(LG)、厄米-高斯光束(HG)、贝塞尔光束(Bessel)、矢量光束(Vector)及其他空间幅度/相位/偏振调制光束，以及光纤中本征模式(Eigenmodes)、线偏振模式(LP)和轨道角动量模式(OAM)。

本发明提供的一种模式和空间光交换的装置，其特征在于，该装置包括输入模块，光交换模块和输出模块；其中，输入模块和输出模块均有N端口，N为正整数，表示输入模块所具有的端口数；光交换模块有N个光交换单元，每个光交换单元分别对每个输入模块的一个端口单独进行变换，对应输出模块的一个端口输出；光交换单元包括模式光交换单元、空间光交换单元、模式和空间光交换单元中的任一种或任几种；所述模式光交换单元对来自输入端口的光场仅发生光场模式变化，不发生端口之间的交换；所述空间光交换单元对来自输入端口的光场不发生光场模式变换，仅发生不同端口之间的交换；所述模式和空间光交换单元对来自输入端口的光场不仅发生光场模式变换，也发生不同端口之间的交换。

作为上述技术方案的改进，所述光交换模块与输出模块之间设置有波前矫正模块，用于将使经过空间光交换单元之后的光场与原来的输入端口光场的传播方向平行，进入后续输出端口；波前矫正模块包括N个波前矫正单元，分别对N个输入端口经过对应空间光交换单元之后的光场进行单独的波前矫正，使之从后续输出端口输出时与输入端口光场平行。这样，输出端口和输入端口光场保持平行可以实现该模式和空间光交换装置的可级联性。也就是说，输出端口平行输出的多路光场可以继续作为下一级模式和空间光交换装置的输入端口多路光场。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光交换模块是包含衍射光学元件、空间光调制器和3D打印光学元器件在内的能够实现空间幅度/相位/偏振调制且具有模式和空间光交换功能的器件。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述波前矫正模块是包含衍射光学元件、空间光调制器和3D打印光学元器件在内的能够实现波前矫正功能的器件。

本发明装置能够与包括自由空间、单模光纤、少模光纤、多模光纤、多芯光纤、少模/多模-多芯光纤、高折射率环形光纤/空气芯光纤/光子晶体光纤的轨道角动量光纤所构建的光通信系统充分兼容，具有可兼容性和可级联性。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供一种模式和空间光交换的方法，使输入光场通过不同的传递函数变换实现模式和空间光交换，用于空分复用系统中，实现模式选择和空间选择开关，实现不同信道之间的信息交换。

2、本发明提供的一种模式和空间光交换的方法和装置，利用不同的传递函数实现不同的交换功能，只需在不同的模式和空间光交换单元中加载不同的传递函数就能实现多种信息交换功能，因此具有可重构性。

3、本发明提供的一种模式和空间光交换的方法和装置，可以将输入模块、输出模块的端口数以及光交换模块的交换单元、波前矫正模块的矫正单元扩展，实现更多信道的信息交换，因此具有可扩展性。光交换模块以及波前矫正模块可以是衍射光学元件、空间光调制器、3D打印光学元器件等其他可以实现空间幅度/相位/偏振调制且具有模式和空间光交换功能以及波前矫正功能的器件。

4、本发明提供的一种模式和空间光交换的方法和装置，适用于呈不同空间位置排列且具有相同或者不同光场模式的多路光场，其中光场模式可以是自由空间、光纤以及其他传输媒介中不同光束(模式)，比如自由空间中高斯光束(Gauss)、轨道角动量(涡旋)光束(OAM)、拉盖尔-高斯光束(LG)、厄米-高斯光束(HG)、贝塞尔光束(Bessel)、矢量光束(Vector)及其他空间幅度/相位/偏振调制光束，又比如光纤中本征模式(Eigenmodes)、线偏振模式(LP)和轨道角动量模式(OAM)等。本发明提供的一种模式和空间光交换的方法和装置能与自由空间、单模光纤、少模光纤、多模光纤、多芯光纤、少模/多模-多芯光纤、高折射率环形光纤/空气芯光纤/光子晶体光纤等轨道角动量光纤所构建的光通信系统充分兼容，具有可兼容性。

附图说明

图1是本发明提供的模式和空间光交换装置示意图；

图2是本发明提供的模式和空间光交换改进装置示意图；

图3是N×N轨道角动量模式和空间光交换方法的原理图；

图4是用于轨道角动量模式和空间光交换的传递函数产生的相位板示意图；

图5是N×N轨道角动量模式和空间光交换改进方法的原理图；

图6是实施例实验装置示意图；

图7是实施例中4×4轨道角动量模式光交换的实验结果图。图中(a)是4×4轨道角动量模式光交换示意图。(b)是加载到空间光调制器上实现4×4轨道角动量模式光交换的相位板。(c)是四个端口经过4×4轨道角动量模式光交换之后的光场强度分布。(d)-(g)四个端口经过4×4轨道角动量模式光交换之后，每个端口与一个参考高斯光束干涉的干涉图。

图8是实施例中4×4轨道角动量空间光交换的实验结果图。图中(a)是4×4轨道角动量空间光交换示意图。(b)是加载到空间光调制器上实现4×4轨道角动量空间光交换的相位板。(c)是四个端口经过4×4轨道角动量空间光交换之后的光场强度分布。(d)-(g)四个端口经过4×4轨道角动量空间光交换之后，每个端口与一个参考高斯光束干涉的干涉图。

图9是实施例中4×4轨道角动量模式和空间光交换的实验结果图。图中(a)是4×4轨道角动量模式和空间光交换示意图。(b)是加载到空间光调制器上实现4×4轨道角动量模式和空间光交换的相位板。(c)是四个端口经过4×4轨道角动量模式和空间光交换之后的光场强度分布。(d)-(g)四个端口经过4×4轨道角动量模式和空间光交换之后，每个端口与一个参考高斯光束干涉的干涉图。

具体实施方式

空分复用系统包括自由空间通信系统，光纤通信系统以及其他传输媒介的通信系统。这些系统可以是基于模分复用技术的空分复用系统，包括自由空间中高斯光束(Gauss)、轨道角动量(涡旋)光束(OAM)、拉盖尔-高斯光束(LG)、厄米-高斯光束(HG)、贝塞尔光束(Bessel)、矢量光束(Vector)及其他空间幅度/相位/偏振调制光束，光纤中本征模式(Eigenmodes)、线偏振模式(LP)和轨道角动量模式(OAM)等；也可以是基于芯分复用技术的空分复用系统，可以兼容包括自由空间、单模光纤/少模/多模-多芯光纤、高折射率环形光纤/空气芯光纤/光子晶体光纤-多芯光纤等轨道角动量光纤所构建的光通信系统。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种模式和空间光交换的方法，具体实施方式如下：

输入多路光场位于不同空间位置，可以具有相同或不同光场模式，经过模式和空间光交换传递函数的变换操作之后，输出多路光场。当传递函数仅实现模式交换时，输出多路光场相对于输入多路光场仅发生光场模式交换，不发生空间位置交换，从而实现模式光交换；当传递函数仅实现空间交换时，输出多路光场相对于输入多路光场不发生光场模式交换，仅发生空间位置交换，从而实现空间光交换；当传递函数同时实现模式和空间交换时，输出多路光场相对于输入多路光场可以同时发生光场模式交换和空间位置交换，从而实现模式和空间光交换。

上述方法中，每一路光场的表达式如公式(1)所示，

其中，N为正整数，表示输入光场的端口数，x,y表示光场垂直于传播方向的横向空间坐标位置，z为平行于传播方向的空间坐标，F1N(x,y)表示输入光场的空间横向分布，表示输入光场函数。|A1N(z)|表示输入光场的幅度函数，表示输入光场的相位函数，其中i表示虚部，表示输入光场的波数，λ1N为光波波长，ω1N表示输入光场的角频率，表示输入光场的初始相位，t表示光场传播时间。经过模式和空间光交换传递函数H1(x,y,z,t)的变换操作之后，输出多路光场，输出的每一路光场的表达式如公式(2)所示

其中，N为正整数，表示输出光场的端口数，F2N(x,y)表示输出光场的空间位置函数，表示输出光场函数。|A2N(z)|表示输出光场的幅度函数，表示输出光场的相位函数，其中i表示虚部，表示输出光场的波数，λ2N为光波波长，ω2N表示输出光场的角频率，表示输出光场的初始相位，t表示光场传播时间。

当传递函数仅实现模式交换时，即所述输出多路光场相对于输入多路光场仅发生光场模式交换，不发生空间位置交换；当传递函数仅实现空间交换时，即所述输出多路光场相对于输入多路光场不发生光场模式交换，仅发生空间位置交换；当传递函数同时实现模式和空间交换时，即输出多路光场相对于输入多路光场能够同时发生光场模式交换和空间位置交换。

本发明提供一种模式和空间光交换的装置，具体说明如下：

该装置包括输入模块100，光交换模块200和输出模块300。其中，输入模块100和输出模块300有N(N＝1，2，3，…)端口，光交换模块200有N个光交换单元，每个光交换单元分别对每个输入模块100的一个端口单独进行变换，对应输出模块300的一个端口输出。光交换单元可以包含模式光交换单元、空间光交换单元、模式和空间光交换单元中的任一种或任几种；输入端口的光场经过模式光交换单元，输出端口的光场相对于输入端口仅发生光场模式变化，不发生端口之间的交换，从而实现模式光交换；输入端口的光场经过空间光交换单元，输出端口的光场相对于输入端口的光场不发生光场模式变换，仅发生不同端口之间的交换，从而实现空间光交换；输入端口的光场通过经过模式和空间光交换单元，输出端口的光场相对于输入端口的光场不仅发生光场模式变换，也发生不同端口之间的交换，从而实现模式和空间光交换。

本发明还提供一种模式和空间光交换的改进方法，具体实施方式如下：

输入多路光场经过空间光交换之后，输出多路光场的方向相对于输入多路光场可能发生了偏转，不再与原来输入多路光场传播方向平行，这样带来与后续通信系统的兼容性问题。此时，让经过空间光交换之后的多路光场再分别经过波前矫正的传递函数的变换操作，经过波前矫正之后的输出多路光场与原来输入多路光场传播方向平行。输出多路光场和输入多路光场保持平行可以实现该模式和空间光交换方法具有可级联性，也就是说，平行输出的多路光场可以继续作为下一级模式和空间光交换的输入多路光场。

所述过波前矫正的传递函数可以表示为：的变换操作对偏转进行矫正，使输出多路光场的表达式如公式(3)所示

其中，F3N(x,y)表示经过波前矫正之后输出光场的空间位置函数。

如图2所示，本发明提供一种模式和空间光交换的改进装置，具体说明如下：

该装置不仅图1中的包括输入模块100、光交换模块200和输出模块300，还在光交换模块200和输出模块300之间设置了波前矫正模块400。

输入端口光场经过空间光交换单元之后，传播方向不再与原来的传播方向平行，这样与后续的输出端口不兼容。通过在光交换模块200之后加上波前矫正模块400，使经过空间光交换单元之后的光场与原来的输入端口光场的传播方向平行，进入后续输出端口。波前矫正模块400包括N个波前矫正单元，分别对N个输入端口经过对应空间光交换单元之后的光场进行单独的波前矫正，使之从后续输出端口输出时与输入端口光场平行。这样，输出端口和输入端口光场保持平行可以实现该模式和空间光交换装置的可级联性。也就是说，输出端口平行输出的多路光场可以继续作为下一级模式和空间光交换装置的输入端口多路光场。

下面介绍本发明提供的模式和空间光交换的具体实施例，以验证图1所示的装置是否可以模式和空间光交换，实施例系统为基于轨道角动量的空分复用系统，其具体结构如下：

如图3所示，N×N轨道角动量模式和空间光交换方法的原理如下，具有不同拓扑电荷数的多路轨道角动量光束分布在空间不同位置，经过不同功能的相位板，输出的多路轨道角动量光束完成轨道角动量模式光交换、轨道角动量空间光交换或轨道角动量模式和空间光交换。相位板由实现不同功能的传递函数生成，如图4所示，相位板(a)，(b)，(c)分别实现轨道角动量模式光交换、轨道角动量空间光交换以及轨道角动量模式和空间光交换。

如图5所示，N×N轨道角动量模式和空间光交换改进方法的原理如下，经过轨道角动量空间光交换之后，原来平行传播的多路轨道角动量光束变为互相交叉的多路轨道角动量光束，这样带来与后续输出系统的兼容性问题。由图4中(b)所示的相位板组成的波前矫正模块，分别对多路轨道角动量光束进行波前矫正，使多路轨道角动量光束继续与原来传播方向一致平行传播，与后续的输出系统兼容。

图6是4×4轨道角动量模式和空间光交换实验装置示意图。实验装置包括第一、第二、第三合束镜10，20，30，空间光调制器40和相机50。四个端口1-4入射的四个轨道角动量模式(l＝1，2，3，4)分布在空间不同位置，端口1和端口2在同一高度，端口3和端口4在另外一个高度。端口1和端口2通过第一合束镜10合束为高度一致，平行入射的两束轨道角动量光束。类似地，端口3和端口4通过第二合束镜20合束为高度一致，平行入射的两束轨道角动量光束将入射光束。第三合束镜30将分别来自第一合束镜10和第二合束镜20的两束光进行合束，这两束光最后合束成正方形入射的四束轨道角动量光束，即四个入射端口。通过在空间光调制器4加载相位板模拟4×4光交换节点，出射的四个端口通过相机5观察。

图7是4×4轨道角动量模式光交换的实验结果图。图中(a)是4×4轨道角动量模式光交换示意图。(b)是加载到空间光调制器上实现4×4轨道角动量模式光交换的相位板。(c)是四个端口经过4×4轨道角动量模式光交换之后的光场强度分布。(d)-(g)四个端口经过4×4轨道角动量模式光交换之后，每个端口与一个参考高斯光束干涉的干涉图。输入端口1，2，3，4轨道角动量模式的拓扑电荷数分别为1，2，3，4，经过轨道角动量模式交换之后，输出端口1，2，3，4轨道角动量的拓扑电荷数变为3，1，4，2。

图8是实4×4轨道角动量空间光交换的实验结果图。图中(a)是4×4轨道角动量空间光交换示意图。(b)是加载到空间光调制器上实现4×4轨道角动量空间光交换的相位板，插入的小图片显示了相位板的更多细节。(c)是四个端口经过4×4轨道角动量空间光交换之后的光场强度分布。(d)-(g)四个端口经过4×4轨道角动量空间光交换之后，每个端口与一个参考高斯光束干涉的干涉图。拓扑电荷数为1，2，3，4的轨道角动量模式分别位于输入端口1，2，3，4，经过轨道角动量空间光交换之后，分别在输出端口4，1，2，3输出。

图9是4×4轨道角动量模式和空间光交换的实验结果图。图中(a)是4×4轨道角动量模式和空间光交换示意图。(b)是加载到空间光调制器上实现4×4轨道角动量模式和空间光交换的相位板。(c)是四个端口经过4×4轨道角动量模式和空间光交换之后的光场强度分布。(d)-(g)四个端口经过4×4轨道角动量模式和空间光交换之后，每个端口与一个参考高斯光束干涉的干涉图。输入端口1，2，3，4轨道角动量模式的拓扑电荷数分别为1，2，3，4，经过轨道角动量模式和空间光交换之后，输入端口1，2，3，4与输出端口4，1，2，3进行光交换，对应的轨道角动量模式的拓扑电荷数为4，1，2，3。

在本实施例中，我们在实验中分别展示了4×4轨道角动量模式光交换，轨道角动量空间光交换以及轨道角动量模式和空间光交换。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。