一种新型涡旋达曼光栅模型及动态可重构路由系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自由空间光通信领域，尤其涉及一种新型涡旋达曼光栅模型及动态可 重构路由系统。
【背景技术】
[0002] 无论是移动通信还是互联网通信系统，以及其它的众多通信系统，系统性能的提 升都需通过提高系统容量（Capacity)和降低误码率（BitErrorRate，BER)来实现。为了 不断提高系统容量，人们在不同的传输媒介（电缆、光纤、自由空间等）上开发出了不同的 复用方式，包括时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM)，码分复用（CodeDivision MultiplexingCDM)，频分复用（FrequencyDivisionMultiplexingFDM)以及空分复用 (SpaceDivisionMultiplexingSDM)等。为了不断降低系统误码率，人们开发出了不同的 信源编码（SourceCoding)、调制方式（ModulationFormat)和信道编码（ChannelCoding) 方式。随着大数据（BigData)时代的来临，未来的通信系统需要更高的容量和更好的可靠 性。面对指数级增长的需求，寻找新型复用方式来实现各种动态路由功能迫在眉睫。而轨 道角动量光束由于其独特的先天优势，将为未来通信系统提供极具潜力的解决方案。
[0003] 轨道角动量光束是一种具有螺旋型相位的特殊光场分布。它的光场的表达式中含 有exp(ilΦ) -项，可见整数1就表示光束传播一个波长的光程，相位变化1个2π，1被 称为拓扑核，是表征轨道角动量光束的重要参数。1可取任意的整数。之前有许多研究表 明，不同拓扑核值轨道角动量光束之间是相互正交的，做内积的结果为〇。这就为轨道角动 量光束实现复用提供了理论基础。也就是说具有不同1值的轨道角动量光束是电磁波在自 由空间和圆柱形波导中传播的正交本征模式集合，因而是彼此独立、可分离的。这一特性与 光束的频率、偏振等特性无关，为通信技术提供了一个新的可利用维度。同时理论和实验表 明，这种轨道角动量光束光场中的每个光子具有特定的轨道角动量（0AM，OrbitalAngular Momentum)值，为趟.理论上1的可能取值范围为所有整数值（1 = 0, ± 1，±2,…± 00 )。 这一点在量子通信中得到了广泛的应用。
[0004] 不同拓扑核的轨道角动量光束作为不同的信道传送信息，在接收探测端就需要一 种方法有效地解调出不同信道的信息。现存的高效的轨道角动量（0ΑΜ)光束检测手段多是 基于相位匹配的检测方法。0ΑΜ光束的远场衍射图样为环形，且圆环半径正比于0ΑΜ光束 的拓扑核数，而普通的高斯光束（η= 0)的远场衍射图样为一个实心的圆。利用这一特点 我们可以用带有拓扑核η的0ΑΜ光束照射到一个带有复共辄相位（即exp(-inΘ))的光学 元件上，将0ΑΜ光束转化为普通的高斯光束，再将实心的高斯光束经过一个小孔滤波器（滤 掉其他拓扑核环形的成分，只允许实心的高斯光束通过）导入光电探测器将光信号转化为 电信号，进一步解调信息。如果相位图中只含有单一一个exp(-inΘ)成分，则每次只能检 测一个拓扑核信息，也就是说系统中同时传输了N个信道的信息，在解调端只能检测到一 个信道的信息，这在实际应用中显然是不可取的。有一种方法可以解决这个问题就是将这 个含有多个拓扑核成分的光束分成N束，在每一束光中加入不同的复共辄相位来检测不同 OAM信道中的信息。这样做无疑是增加了系统的复杂程度（至少需要多个分束器和N个相 位装置），而且在这个过程中损失了很多能量。因此我们提出了利用新型涡旋达曼光栅来同 时检测多个0ΑΜ光束。但是对于传统的位相型0ΑΜ检测光栅，随着级次η的增加，该级次 的能量下降的非常迅速.由此就产生了一个严重的问题，在较高级次的中心亮点的能量十 分微弱。一般当|η|>3时，中心亮点已经无法观察到。这样就严重限制了 0ΑΜ通讯系统解 调端的解调能力。
[0005] 针对以上问题现有技术提出了用涡旋达曼光栅来复用和解复用0ΑΜ信道，大大简 化了系统的复杂程度，使系统对称化，并且能量利用率得到了提高。但是传统涡旋达曼光栅 每个次级对应的共辄相位是正比于衍射级次的，也就是说光栅一旦设计好，每个次级所对 应的共辄相位就是固定的，这样想要实现轨道角动量信道之间的动态路由就十分麻烦。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种新型涡旋达曼光栅模型及动态可重构 路由系统，旨在解决现有技术无法解决轨道角动量信道之间的动态路由的问题。
[0007] 本发明是这样实现的，一种新型涡旋达曼光栅模型，加载于空间光调制器上，用于 将入射光束分为若干衍射级次，对于任一衍射级次对应轨道角动量光束的拓扑核值可自定 义，使得所述空间光调制器可根据其加载的新型涡旋达曼光栅模型定义的拓扑核信息对空 间光进行调制。
[0008] 进一步地，以Μ、Ν表示光束经所述新型涡旋达曼光栅模型后分成的分别在X、y方 向的总衍射级次数量;mrKU表示某一级次及其对应的拓扑核，Θ为极坐标系下的角向坐 标，则所沭新型涡旋汰晷光壇樽型可表示为：
[0009]
[0010] 进一步地，所述新型涡旋达曼光栅模型为连续型结构。
[0011] 本发明还提供了一种基于上述所述的新型涡旋达曼光栅模型的动态可重构路由 系统，信号发生端、动态路由器和信号接收端；
[0012] 所述信号发生端，用于产生复用的具备特定拓扑核的轨道角动量光束；
[0013] 所述动态路由器，用于将所述信号发生端的复用光束进行解复用，并将不同拓扑 核的轨道角动量光束在自由空间特定位置还原成高斯型实心光束；
[0014] 所述信号接收端，用于读取所述高斯型实心光束。
[0015] 进一步地，所述信号发生器包括：光发射器、调制器、分束器、放大器、空间准直器 以及涡旋达曼光栅；
[0016] 所述光发射器用于发射光束，发射的光束通过所述调制器进行调制后形成高速光 信号，所述高速光信号进入所述分束器被均匀分成若干均匀光束，每一均匀光束通过所述 放大器进行功率放大并去相关后形成独立光束，若干所述独立光束经所述空间准直器耦合 至自由空间，并从不同角度照射至所述涡旋达曼光栅，之后在其共辄衍射级次处形成复用 在一起的具备特定拓扑核的多个轨道角动量光束同轴的光束。
[0017] 进一步地，所述动态路由器包括空间光调制器，所述空间光调制器上加载有所述 新型涡旋达曼光栅模型，所述新型涡旋达曼光栅的拓扑核与发射端的轨道角动量光束的拓 扑核对应；
[0018] 所述轨道角动量光束经所述新型涡旋达曼光栅模型衍射后，不同拓扑核的轨道角 动量光束在自由空间特定位置还原成高斯型实心光束。
[0019] 进一步地，所述信号接收端包括：小孔滤波器、显微物镜以及探测器；所述显微物 镜与探测器之间通过光纤连接；
[0020] 所述高斯型实心光束通过所述小孔滤波器去除杂散光，经所述显微物镜进行聚焦 耦合进入所述光纤后传输至所述探测器进行信息读取。
[0021] 本发明与现有技术相比，有益效果在于：利用本发明提供的涡旋达曼光栅模型可 以实现多个0ΑΜ信道的并行检测，极大的简化了系统并且拓展了可利用的0ΑΜ信道的数量， 在作为解调器件时能量利用率高且各信道的能量平均，便于检测。在信号能量足够高的情 况下甚至可以实现上百个0ΑΜ信道的同时解调。同时使用一个空间光调制器（SLM)切换不 同的光栅就可以实现轨道角动量信道之间的动态路由，包括切换、广播、滤除等功能，使轨 道角动量复用技术应用在实际通信网络中成为可能。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明实施例提供的一种动态可重构路由系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0024] 传统达曼（Dammann)光栅很早就被人提出，它的特点就是可以将光束平均分成N 个衍射级次，这N个级次的能量是相等的。利用这一特性人们提出了涡旋达曼（Da_ann 〇V)光栅，其可以表示为：
[0025]
[0026] 上式（1)式中Ν，Μ分别是x，y方向的总衍射级次数量，该光栅衍射后产生一个 ΜXN的阵列，匕和1 y分别是X，y方向的拓扑核间隔，Θ为极坐标系下的角向坐标。可以看 出对于给定的某一个级次，m,η是确定的，而该级次对应的拓扑核nlx+mly也是固定的，不能 实现可重构的动态解调。
[0027] 基于上述原因，本发明提出了一种新型祸旋达曼光栅模型（DOVG,Da_ann0V Grating)，所述新型涡旋达曼光栅模型加载于空间光调制器上，用于将入射光束分为若干 衍射级次，对于任一衍射级次对应轨道角动量光束的拓扑核值可自定义，使得所述空间光 调制器可根据其加载的新型涡旋达曼光栅模型定义的拓扑核信息对空间光进行调制。
[0028] 新型D0VG可以表示为：
[002