任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法及其分离子系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种任意复用轨道角动量态的非破坏分离方法，属于光学及无线通信 的技术领域。
【背景技术】
[0002] 光子是信息传递的重要载体，光子的能量、线动量和偏振态都可作为自由度携带 信息。与其他自由度一样，光子的角动量也在近几年被证实是一种新型的信息载体。角动 量分为自旋角动量（英文名称为spinangularmomentum,简称为SAM)和轨道角动量（英 文名称为orbitangularmomentum,简称为0ΑΜ)两种，其中自旋角动量与光子的极化有 关，即和偏振相关；而轨道角动量则与光子的空间分布有关。1992年，Allen等人证实了在 具有exp(ilΘ)相位因子的拉盖尔-高斯光束（英文简称为LG)中，每个光子的轨道角动 量为1，其中1称为拓扑荷（英文名称为topologicalcharge);随后，Gibson等人于2004 年给出轨道角动量可用于信息传输的实验验证，证实了不同轨道角动量可用来表示不同的 信息，通过光束的传输，信息最终可以在接收端被解调、获取，且这种传输方法具有很好的 安全性。2011年，Willner小组提出了一种基于复用轨道角动量态的自由空间光通信系统 方案，并结合LG光的极化复用和16QAM调制技术，实现了速率为1. 37Tbit/s，频带利用率 可达25. 6bit/s/Hz的高速通信系统。由于0ΑΜ态的1取值可从负无穷至正无穷，且不同1 值的0ΑΜ态之间相互正交，因此0ΑΜ态可实现一种类似于波长、相位等物理量的新型复用自 由度，极大地提升通信系统的传输速率和频带利用率。
[0003] 但是，目前在已有的复用0ΑΜ态通信系统中，每个0ΑΜ态的分离需由一个独立的 检测支路来完成，且每个独立的检测支路上通常需要使用一个价格昂贵的空间光调制器 (即：SLM)，这极大地增加了通信系统的成本，限制了数据的高速传输实施。如何有效、低价 的解调复用0ΑΜ态现成为复用0ΑΜ态系统可实施的关键问题。
[0004] 2002年，J.Leach等人提出使用多个马赫-曾德尔干涉仪（英文名称为 1&1(*-261111(16〇的方法对任意多的(^1态分离的方法，其效率可以达到100%。但是，当 使用这种方法分离较多的0ΑΜ态时系统结构将会非常复杂，且Mach-Zehnder干涉过程的实 现较为复杂。2010年，MartinP.J.Lavery等人提出了一种高效分离0ΑΜ态的新方法，基于 静态光学原理，运用坐标变换将螺旋相位的光束转变为横向的具有相位梯度的光，再通过 透镜将每个0ΑΜ态的光聚焦到不同的横向位置上，从而区分不同的0ΑΜ态，但实现时仍需要 用到昂贵的设备一一空间光调制器，且分离完成后0ΑΜ态的空间结构将会被破坏。2014年， LixiangChen等人提出了一种基于光的偏振性质分离轨道角动量态的方法，该方法的实施 结构仍比较复杂，且没有给出分离拓扑荷相反的复用0ΑΜ态（即+1和-1复用的0ΑΜ态） 的具体方案。而本发明能够很好地解决上面的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于解决上述现有分离方法的不足，提供了一种非破坏分离任意复用 轨道角动量态的方法，该方法可以实现包括负1值在内的全部轨道角动量本征态的分离， 同时能够保证分离后每个轨道角动量态空间结构的完整性。
[0006] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种非破坏分离任意复用轨道角动 量态的方法，该方法包括如下步骤：
[0007] 步骤1 :产生一束复用轨道角动量态光束，其中的η个正1值轨道角动量态由水平 极化光产生，m个负1值轨道角动量态由垂直极化光产生；
[0008] 步骤2:入射的复用轨道角动量态光束经过一个极化分束器被分成两路，其中水 平极化光进入正1值复用轨道角动量态分离系统，垂直极化光进入负1值复用轨道角动量 态分离系统。这两个系统都是相互独立的级联系统，分别实现复用轨道角动量态正1值部 分和负1值部分的分离；
[0009] 步骤3:两路光束分别进入正1值复用轨道角动量态分离系统和负1值复用轨道 角动量态分尚系统。两个级联系统的第1级子系统均由1个复用轨道角动量态分尚子系统 组成，其中核心器件道威棱镜的放置角度均为45°。通过第1级子系统后，复用的轨道角动 量态会根据1值的奇偶，即以1值的差值为1，分离成两路；
[0010] 步骤i:经第i_l级子系统分离的光束有21 1路，因而第i级子系统由2 1 1个复用 轨道角动量态分离子系统组成，其中核心器件道威棱镜的放置角度均为45° /211。通过第 i级子系统后，复用轨道角动量态会以1值的差值为21 1实现分离，共分离成2 1路。
[0011] 重复步骤i，直至所有的轨道角动量态都被分离。
[0012] 本发明的方法是以偏振光学理论为基础的一种复用轨道角动量态的分离方法，以 各个独立的轨道角动量态由线偏振光产生为前提，且要求具有相同的偏振方向。
[0013] 本发明上述方法应用于分离所有包括负1值在内的轨道角动量本征态，并保持其 空间结构的完整性。
[0014] 本发明上述方法应用于由复用轨道角动量态分离子系统级联组成的分离系统。
[0015] 本发明还提供了一种复用轨道角动量态分离子系统，该子系统是实现非破坏分离 任意复用轨道角动量态方法的基本结构。每个复用轨道角动量态分离子系统包括：入射光 偏振方向调整模块、圆极化光分离模块、相位调整模块、圆极化光合并模块和分离模块。
[0016] 入射光偏振方向调整模块的功能是：将入射的线偏振光调节为水平极化光。
[0017] 圆极化光分离模块的功能是：实现水平极化光中左圆极化分量和右圆极化分量的 分离：
[0018] 相位调整模块的功能是：同时对分离的左圆极化分量和右圆极化分量进行相应的 相位调整（通过道威棱镜实现），且相位的改变量与对应的轨道角动量态的1值有关。数学 上可表示为
，其中α为道威棱镜对应两路光 束的相对夹角。
[0019] 圆极化光合并模块的功能是：将经过相位调整的左圆极化分量和右圆极化分量重 新合并成一路束光，此时不同的轨道角动量态将根据各自的相位特征，即1值，投影到两个 相互垂直的极化方向上。数学上可表示为
[0020] 分离模块的功能是：对两个相互垂直的极化方向上的光束进行分离。
[0021] 本发明的复用轨道角动量态分离子系统是由2个二分之一波片、2个四分之一波 片、2个极化分束器、4个反射镜和1个道威棱镜组成。每个复用轨道角动量态分尚子系统 只能根据1值的类型将复用的轨道角动量态分成两组，因此若要完全区分所有的轨道角动 量态，就需级联要多个复用轨道角动量态分尚子系统。对于每个复用轨道角动量态分尚子 系统而言，上一级子系统的每个输出，都将作为下一级每个子系统的输入，这种级联结构一 直持续到将所有的轨道角动量态分离为止。
[0022] 有益效果：
[0023] 1、本发明能够将简单的偏振光学操作应用到对复用轨道角动量态分离的技术中， 简化了分离的过程，降低了分离的难度。
[0024] 2、本发明能够实现对复用轨道角动量态的非破坏性分离，即分离后保持所有轨道 角动量态结构的完整性。
[0025] 3、本发明适用于分离所有包括负1值在内的所有轨道角动量本征态。
[0026] 4、本发明分离效果好，所需的光学器件简单、低廉，因而易于制造后期的设备，且 对现有的光通信技术具有很好的兼容性和适用性。
[0027] 5、本发明结构简单、组建灵活，通过增加或减少复用轨道角动量态分离子系统的 级联数目和调整每个子系统中道威棱镜的放置角度，即可灵活的实现不同复用轨道角动量 态的分离。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的方法流程图。
[0029] 图2为本发明分离子系统的工作流程图。
[0030] 图3为本发明两个相互正交的偏振态示意图。
[0031] 图4为本发明分离子系统的结构示意图。
[0032] 图5为本发明分尚子系统的级联不意图。
[0033] 图6为本发明的方案示意图1(分离8个轨道角动量态，1 = 1，2, 3,4, 5,6, 7,8)。
[0034] 图7为本发明的方案不意图2 (分尚16个轨道角动量态，1 = ±1，±2, ±3, ±4， ±5，±6，±7，±8)。
[0035] 图8为本发明方案的仿真结果图1(分离8个轨道角动量态，1 = 1，2, 3,4, 5,6, 7， 8)〇
[0036] 图9为本发明方案的仿真结果图2(分离16个轨道角动量态，1 = ±1，±2, ±3， ±4，±5，±6，±7，±8)。
【具体实施方式】
[0037] 以下结合说明书附图对本发明专利作进一步的详细说明。
[0038] 实施例一
[0039] 本发明提供了一种非破坏分离任意复用轨道角动量态的方法，该方法包括如下步 骤：
[0040] 步骤1 :产生一束复用轨道角动量态光束，其中的η个正1值轨道角动量态由水平 极化光产生，m个负1值轨道角动量态由垂直极化光产生