一种光学轨道角动量信号解调装置及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种光学轨道角动量信号解调装置及方法。

背景技术：

近年来，随着云计算、大数据、虚拟现实等业务的快速发展，全球网络流量和带宽的需求呈指数级增长趋势。随着波分复用(WDM)、正交频分复用(OFDM)等通信技术的逐步商用，传统的调制/解调方式实现了通信速率的快速提升，但本质上，传统的调制/解调方式是基于幅度,频率，相位和偏振态进行设计的，无法摆脱传统维度的限制，实现通信容量的倍增。轨道角动量（OAM）通信是一种新型通信方式，它将OAM作为一个新的维度应用于通信中，已逐步成为超高速光通信领域的研究热点。

角动量是物理中的一个基本物理量，光的角动量包括轨道角动量和自旋角动量，轨道角动量与光束的波前相关，通常，一个携带螺旋波前的光束称为涡旋光束，其每个光子携带的轨道角动量，为拓扑荷。涡旋光束的中心因为相位奇点的存在光强为零，其光强分布为环状，拓扑荷越大，环的直径(周长)越大，且携带不同拓扑荷的涡旋光束相互正交，彼此独立。

OAM在通信中的应用包括OAM复用和OAM键控两种方式。OAM复用是将OAM作为复用信道，OAM状态是固定的，涡旋光用作信息的载体，多个光源通过调制加载数据。OAM键控是将OAM作为调制方式，保持光源不变，通过动态器件(如SLM)改变OAM的状态，信息被编码加载到涡旋光的OAM状态上。由于OAM复用通信光谱效率高、便于实现的优点，国内外大多数OAM通信的研究都集中在OAM复用上，OAM键控的研究则比较缓慢，在现有的研究报道中存在着结构复杂、检测效率低、速率小的问题。在结构方面，其解调方式主要是将不同的OAM态转换到不同的空间位置再分别检测，这使得检测设备较多且对所检测信息的整合要求比较严格。在检测方面，其对不同OAM态的检测方式包括SLM和OAM特征识别，SLM的方法会提高检测的成本，而OAM特征识别则会因为复杂的算法影响通信效率。在速率方面，其调制方式主要是单一的OAM键控，且OAM态数量较小，使得速率较小。

因而现有技术还有待改进和提高。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供光学轨道角动量信号解调装置及方法，通过将光束分为两部分并使其中一光束经过狭缝过滤，检测两光束的能量比值即可解调出对应的轨道角动量信号，能解决目前现有OAM解调装置结构复杂、效率低、速率小的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种光学轨道角动量信号解调装置，其包括沿光路传输方向依次设置的：

调制模块，用于产生N个涡旋态的轨道角动量调制光束；

分束镜，用于将所述轨道角动量调制光束分为第一光束和第二光束；

狭缝，用于接收所述第一光束并对其进行过滤；

第一光电转换器，用于将经过滤后的第一光束转换为第一电信号；

反射镜，用于对所述第二光束进行反射；

第二光电转换器，用于将经反射后的第二光束转换为第二电信号；

解调模块，用于根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值，并解调出对应的轨道角动量信号。

所述的光学轨道角动量信号解调装置中，所述解调模块包括：

同步器，用于使所述第一电信号和第二电信号保持信号同步；

除法器，用于根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值；

第一信号检测器，用于根据所述能量比值解调出对应的轨道角动量信号；

所述同步器连接第一光电转换器、第二光电转换器和除法器，所述除法器还连接所述信号检测器。

所述的光学轨道角动量信号解调装置中，所述调制模块包括：

编码单元，用于将二进制数据转换为对应于N个轨道角动量涡旋态的N进制数据；

全息图单元，用于生成与各个轨道角动量涡旋态对应的全息图，并输出至空间光调制器；

空间光调制器，用于根据所述全息图将输入的高斯光束转换为对应的N个涡旋态的轨道角动量调制光束。

所述的光学轨道角动量信号解调装置中，所述调制模块包括：

编码单元，用于将二进制数据转换为对应于N个轨道角动量涡旋态的N进制数据；

叉形光栅单元，用于根据各个轨道角动量涡旋态输出叉形光栅并加载至空间光调制器，叉形光栅的各个衍射级对应不同的轨道角动量涡旋态；

若干个开关，用于控制各个轨道角动量涡旋态对应的衍射级光束的通过或截止；

开关控制器，用于控制所述若干个开关的开闭状态，使同一时刻只有一个开关开启、其它开关均关闭；

空间光调制器，用于根据当前通过的衍射级光束输出对应涡旋态的轨道角动量调制光束。

所述的光学轨道角动量信号解调装置中，所述调制模块还包括：

正交频分复用调制单元，用于对输入的高斯光束进行正交幅度调制，并输出至空间光调制器。

所述的光学轨道角动量信号解调装置中，所述解调模块还包括：

分配器，用于将第二电信号分为两路相同的信号分别输出至同步器和第二信号检测器；

第二信号检测器，用于根据分配器输出的一路电信号并还原正交频分复用信号；

所述分配器连接第二光电转换器、第二信号检测器和同步器；

所述同步器还用于使所述第一电信号和分配器输出的另一路电信号保持信号同步；

所述除法器还用于根据所述第一电信号和分配器输出的另一路电信号得到第一光束和第二光束的能量比值。

所述的光学轨道角动量信号解调装置中，所述狭缝置于第一光束中心，其宽度为最小涡旋态的轨道角动量调制光束直径的1/2。

所述的光学轨道角动量信号解调装置中，所述能量比值的大小与各个轨道角动量涡旋态对应。

一种光学轨道角动量信号解调方法，其包括如下步骤：

A、由调制模块产生N个涡旋态的轨道角动量调制光束；

B、通过分束镜将所述轨道角动量调制光束分为第一光束和第二光束；

C、第一光束经过狭缝过滤后通过第一光电转换器转换为第一电信号；

D、第二光束经反射镜反射后通过第二光电转换器转换为第二电信号；

E、由解调模块根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值，并解调出对应的轨道角动量信号。

所述的基于微全息阵列的波前探测方法中，所述步骤E包括：

E1、经同步器使所述第一电信号和第二电信号保持信号同步；

E2、由除法器根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值；

E3、由第一信号检测器根据所述能量比值解调出对应的轨道角动量信号。

相较于现有技术，本发明提供的光学轨道角动量信号解调装置及方法中，所述光学轨道角动量信号解调装置包括沿光路传输方向依次设置的调制模块、分束镜、狭缝、第一光电转换器、反射镜、第二光电转换器和解调模块，由调制模块产生N个涡旋态的轨道角动量调制光束，通过分束镜将所述轨道角动量调制光束分为第一光束和第二光束，第一光束经过狭缝过滤后通过第一光电转换器转换为第一电信号，第二光束经反射镜反射后通过第二光电转换器转换为第二电信号，由解调模块根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值，并解调出对应的轨道角动量信号，通过使用一个狭缝的光和未经狭缝的光的能量比值可直接解调轨道角动量信号，具有简单高效的优点，解决了目前现有OAM解调装置结构复杂、效率低、速率小的问题。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的光学轨道角动量信号解调装置的结构示意图。

图2为本发明第一实施例提供的光学轨道角动量信号解调装置中拓扑荷值L=1~L=8的第二光束的光强分布图。

图3为本发明第一实施例提供的光学轨道角动量信号解调装置中拓扑荷值L=1~L=8的第一光束的光强分布图以及相应的第一光束和第二光束的能量比值。

图4为本发明第二实施例提供的光学轨道角动量信号解调装置的结构示意图。

图5为本发明第三实施例提供的光学轨道角动量信号解调装置的结构示意图。

图6为本发明提供的光学轨道角动量信号解调方法的流程图。

具体实施方式

鉴于现有技术中OAM解调装置结构复杂、效率低、速率小等缺点，本发明的目的在于提供一种光学轨道角动量信号解调装置及方法，通过使用一个狭缝的光和未经狭缝的光的能量比值可直接解调轨道角动量信号，具有简单高效的优点。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供的光学轨道角动量信号解调装置包括沿光路传输方向依次设置的调制模块11、分束镜12、狭缝13、第一光电转换器14、反射镜15、第二光电转换器16和解调模块17，其中，所述调制模块11用于产生N个涡旋态的轨道角动量调制光束；所述分束镜12用于将所述轨道角动量调制光束分为第一光束和第二光束；所述狭缝13用于接收所述第一光束并对其进行过滤，且所述狭缝13置于第一光束中心，其宽度为最小涡旋态的轨道角动量调制光束直径的1/2；所述第一光电转换器14用于将经过滤后的第一光束转换为第一电信号；所述反射镜15用于对所述第二光束进行反射；所述第二光电转换器16用于将经反射后的第二光束转换为第二电信号；所述解调模块17用于根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值，并解调出对应的轨道角动量信号。

具体地，所述解调模块17包括同步器171、除法器172和第一信号检测器173，所述同步器171连接第一光电转换器14、第二光电转换器16和除法器172，所述除法器172还连接所述信号检测器，其中，所述同步器171用于使所述第一电信号和第二电信号保持信号同步；所述除法器172用于根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值；所述第一信号检测器173用于根据所述能量比值解调出对应的轨道角动量信号。

进一步地，所述调制模块11包括编码单元111、全息图单元112和空间光调制器113，所述编码单元111、全息图单元112和空间光调制器113依次连接，所述编码单元111用于将二进制数据转换为对应于N个轨道角动量涡旋态的N进制数据；所述全息图单元112用于生成与各个轨道角动量涡旋态对应的全息图，并输出至空间光调制器113；所述空间光调制器113用于根据所述全息图将输入的高斯光束转换为对应的N个涡旋态的轨道角动量调制光束。

本实施例中以N为8为例进行说明，即轨道角动量调制光束的拓扑荷值L为1~8，首先通过编码单元111将二进制数据转换N进制数据，对应于N个OAM态，即轨道角动量涡旋态，之后生成与各个OAM态对应的全息图并刷新至空间光调制器113，通过空间光调制器113将输入的高斯光束转换为对应的N个涡旋态的OAM光束，转换后的OAM光束经分束镜12分为相同的两束光，即第一光束和第二光束，其中第二光束保持不变，经反射镜15反射后输入至第二光电转换器16进行光电转换，其光强分布如图2所示，而第一光束则经过狭缝13过滤，滤出缝外能量，经过狭缝13后的第一光束输入至第一光电转换器14进行光电转换，其光强分布如图3所示，两束光均经过光电转换后输出第一电信号和第二电信号，通过同步器171保持两路电信号的同步性，之后输入除法器172可得到第一光束和第二光束的能量比值，所述能量比值对应于不同的OAM态，即能量比值的大小与各个轨道角动量涡旋态对应，如图3所示，因此得到所述能量比值后即可由第一信号检测器173解调出对应的轨道角动量信号。因此本发明通过使用一个狭缝的光和未经狭缝的光的能量比值可直接解调轨道角动量信号，具有简单高效的优点，解决了目前现有OAM解调装置结构复杂、效率低、速率小的问题。

优选地，请参阅图4，为本发明第二实施例提供的光学轨道角动量信号解调装置，其与第一实施例中不同之处在于，所述调制模块11包括编码单元111、叉形光栅单元114、若干个开关115、开关控制器116和空间光调制器113，所述编码单元111、若干个开关115、开关控制器116和空间光调制器113依次连接，所述叉形光栅单元114连接空间光调制器113，所述编码单元111用于将二进制数据转换为对应于N个轨道角动量涡旋态的N进制数据；所述叉形光栅单元114用于根据各个轨道角动量涡旋态输出叉形光栅并加载至空间光调制器113，叉形光栅的各个衍射级对应不同的轨道角动量涡旋态；所述若干个开关115用于控制各个轨道角动量涡旋态对应的衍射级光束的通过或截止；所述开关控制器116用于控制所述若干个开关115的开闭状态，使同一时刻只有一个开关115开启、其它开关115均关闭；所述空间光调制器113用于根据当前通过的衍射级光束输出对应涡旋态的轨道角动量调制光束。

本发明第二实施例适用于高速OAM调制方法下的OAM信号检测，生成各OAM态光束的全息图是唯一且固定不变的，以克服空间光调制器113刷新速度的不足，其中，OAM光束由加载至空间光调制器113上的叉形光栅产生，其各个衍射级对应不同的OAM态，同时通过开关控制器116根据传输信号控制各个开关115的开启与闭合，在同一时刻只有对应OAM态的一个衍射级的光束通过，即此时只有该OAM态对应的开关115开启，而其他各路开关115均关闭，从而实现了OAM调制信号的产生，可以实现快速调制，克服了空间光调制器113刷新速度的不足，由于的解调过程与第一实施例相同，此处不再赘述。

优选地，请参阅图5，为本发明第三实施例提供的光学轨道角动量信号解调装置，其与第一实施例中不同之处在于，所述调制模块11还包括用于对输入的高斯光束进行正交幅度调制，并输出至空间光调制器113的正交频分复用调制单元117，且所述解调模块17还包括分配器174和第二信号检测器175，所述分配器174连接第二光电转换器16、第二信号检测器175和同步器171，其中，所述分配器174用于将第二电信号分为两路相同的信号分别输出至同步器171和第二信号检测器175；所述第二信号检测器175用于根据分配器174输出的一路电信号并还原正交频分复用信号，相应地，在第三实施例中，所述同步器171还用于使所述第一电信号和分配器174输出的另一路电信号保持信号同步，所述除法器172还用于根据所述第一电信号和分配器174输出的另一路电信号得到第一光束和第二光束的能量比值。

具体地，在第三实施例中，其输入光束为经过OFDM-16QAM调制的高斯光束，由于本发明是通过将信号光束分为两路且由能量比值检测OAM信号，OAM信号的检测不会受到其他调制方式的影响，因此第三实施例通过采用多载波传输方案，可实现OAM与其他调制方式的联合调制，而空间光调制器113刷新较慢，不同OAM态的刷新存在过度可能会影响其他调整信号的问题则可通过选择适应的信息速率比值和传输时隙来解决。相应的在后续解调部分，第二光束转换的第二电信号经过分配器174分为相同的两路，其中一路输出至同步器171用于OAM解调，而另一路则直接输出至第二信号检测器175还原OFDM信号，从而实现了，OAM与其他调制方式的联合调制，能够大幅提高通信容量。

本发明还相应提供一种光学轨道角动量信号解调方法，如图6所示，所示光学轨道角动量信号解调方法包括如下步骤：

S100、由调制模块产生N个涡旋态的轨道角动量调制光束；

S200、通过分束镜将所述轨道角动量调制光束分为第一光束和第二光束；

S300、第一光束经过狭缝过滤后通过第一光电转换器转换为第一电信号；

S400、第二光束经反射镜反射后通过第二光电转换器转换为第二电信号；

S500、由解调模块根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值，并解调出对应的轨道角动量信号。

具体地，所述步骤S500包括：

S501、经同步器使所述第一电信号和第二电信号保持信号同步；

S502、由除法器根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值；

S503、由第一信号检测器根据所述能量比值解调出对应的轨道角动量信号。

综上所述，本发明提供的光学轨道角动量信号解调装置及方法中，所述光学轨道角动量信号解调装置包括沿光路传输方向依次设置的调制模块、分束镜、狭缝、第一光电转换器、反射镜、第二光电转换器和解调模块，由调制模块产生N个涡旋态的轨道角动量调制光束，通过分束镜将所述轨道角动量调制光束分为第一光束和第二光束，第一光束经过狭缝过滤后通过第一光电转换器转换为第一电信号，第二光束经反射镜反射后通过第二光电转换器转换为第二电信号，由解调模块根据所述第一电信号和第二电信号得到第一光束和第二光束的能量比值，并解调出对应的轨道角动量信号，通过使用一个狭缝的光和未经狭缝的光的能量比值可直接解调轨道角动量信号，具有简单高效的优点，解决了目前现有OAM解调装置结构复杂、效率低、速率小的问题。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。