基于光束轨道角动量解调装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及光电【技术领域】的装置，更具体地，涉及一种基于光束轨道角动量解调装置，包括激光器、第一调制模块、角动量发生模块、第二调制模块、解调模块，激光器输出相互平行的光束，所述光束依次经过第一调制模块、角动量发生模块、第二调制模块、解调模块形成光路，解调模块与第二调制模块之间设置有可活动放置的用于产生干涉图像的干涉模块。干涉模块的设置是为了生成对称的花瓣状干涉图样，得到拓扑荷值，以利用光强公式对轨道角动量进行相位恢复。通过对经过检偏器干涉图样和未经检偏器光斑图样的质量检测，可对轨道角动量模式相位中奇点附近的相位进行恢复，可减少解调出错机率，降低误码率，提高通信可靠性。
【专利说明】基于光束轨道角动量解调装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电【技术领域】的装置，更具体地，涉及一种基于光束轨道角动量解调装直。
【背景技术】
[0002]轨道角动量模式是一种带有涡旋相位因子θ?πιΦ的传播模式，相位的涡旋使其具有光学轨道角动量这一其他模式所不具备的物理特征参数，在通信和微纳光子学领域有重要的研究和应用价值，已成为了近年来的研究热点。
[0003]2013年发表在《Science》上的《Terabit-scale Orbital Angular Momentum ModeDivision Multiplexing in Fibers》证实了轨道角动量模式复用的可行性。设计者设计了支持两个轨道角动量模式在十个波长上复用，可传输1.1km，带宽达1.6Tbps的特殊光纤，它为轨道角动量模式在通信技术中的应用提供了理论和实验依据，具有重要价值。轨道角动量模式除常规的调制方式外，还可以利用其轨道角动量用拓扑荷作为参数来编码信息，可提高通信容量和带宽。但是如何对轨道角动量模式相位的探测与恢复，实现对轨道角动量模式的解调，是现今需要解决的一个技术问题。
[0004]对于光波的直接探测一般仅限于对光强的测量，相位无法通过测量直接获得，因而通常采用引入参考光进行干涉的方法，从干涉图样中得到所测量光束的相位分布。2Ol3 年发表在《Optics Letters》上的《Phase-shift interference-based wavefrontcharacterization for orbital angular momentum modes〉〉提出了分别用两个相位差 η /2的参考光和轨道角动量模式干涉，得到两个干涉图样，通过这两个干涉图样恢复出轨道角动量模式相位，但是中心奇点附近较大一片区域内相位是模糊的，奇点附近相位信息没有充分恢复出来，即对于轨道角动量模式的解调不完全，这导致增大了解调出错的可能姓，增加了误码率，降低了通信的可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光束轨道角动量解调装置，可对轨道角动量模式相位中的奇点附近的相位进行恢复，减少了解调出错的可能性，降低了误码率，提高了通信的可靠性，具有一定的现实意义。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0007]提供一种基于光束轨道角动量解调装置，包括激光器、第一调制模块、角动量发生模块、第二调制模块、解调模块，所述激光器输出相互平行的光束，所述光束依次经过第一调制模块、角动量发生模块、第二调制模块、解调模块形成光路，所述解调模块与第二调制模块之间设置有可活动放置的用于产生干涉图像的干涉模块。
[0008]本发明基于光束轨道角动量解调装置设置有可活动放置的用于产生干涉图像的干涉模块，具体的，包括激光器、第一调制模块、角动量发生模块、第二调制模块、解调模块，所述解调模块与第二调制模块之间设置有可活动放置的用于产生干涉图像的干涉模块。干涉模块的设置是为了生成对称的花瓣状干涉图样，得到拓扑荷的大小，以便利用光强公式对轨道角动量进行相位恢复。
[0009]改进之一，所述干涉模块为可使角动量发生模块产生的符合干涉条件的两束光产生干涉图像的检偏器。
[0010]优选地，所述对光激光器发出的光束进行调制的第一调制模块包括依次排列的物镜、小孔装置、透镜、光阑、第一偏振片，激光器发出的光束能依次经过物镜、小孔装置的小孔、透镜、光阑及第一偏振片。激光器能够输出相互平行的光束；物镜将激光器输出的所有光束会聚；小孔装置位于物镜的后焦平面上，同时位于透镜的前焦平面上，小孔装置进行光波的过滤，透镜将光束准直发射出去；光阑位于透镜的后焦平面与第一偏振片之间，光阑用于获得质量较好的光束；第一偏振片用于调整光的偏振状态，达到最好的相位调制。
[0011]进一步地，所述角动量发生模块包括能形成干涉光路和参考光路的偏振分束器、分束器，所述干涉光路设有涡旋相位板，且干涉光路和参考光路分别设有能使干涉光路和参考光路汇聚的第一、二反射镜，分束器位于干涉光路和参考光路汇聚的位置。。
[0012]优选地，所述第二调制模块为λ/4波片(λ为波长)。λ/4波片的设置用于调整光的偏振状态，达到最好的相位调制。
[0013]可选地，所述解调模块为光束质量分析仪。光束质量分析仪的设置用于检测最终测量结果。
[0014]本发明基于光束轨道角动量解调装置的具体应用步骤如下: [0015]a.首先激光器输出相互平行的光束，经过物镜聚焦到物镜的后焦面上，调节小孔装置至物镜焦点处，对光束进行过滤，过滤后的光束经过透镜扩束准直，经过光阑得到理想的线偏高斯平面光波，线偏高斯平面光波通过第一偏振片调整光波偏振方向，使得偏振分束器能够将光束等光强平分；光束入射调节偏振分束器后将被分为两束传播方向相互垂直的竖直线偏光和水平线偏光；
[0016]b.将步骤a得到的竖直线偏光或水平线偏光经过涡旋相位板产生带有传播信息的轨道角动量，经过第一反射镜反射；与之相对应的水平线偏光或竖直线偏光作为参考光，经过第二反射镜反射；所述反射后的两束线偏光在分束器处汇聚，发射出平行光；
[0017]c.将步骤b得到的平行光经过快轴与水平方向夹角为45°的λ/4波片调整光波偏振方向，形成左右圆偏光叠加的光斑图样；
[0018]d.将步骤c得到的左右圆偏光通过设置的检偏器，产生对称的花瓣状干涉图样；
[0019]e.分别将步骤c得到的左右圆偏光经过步骤d的干涉图样和未经过步骤d的圆偏光存储以及进行检测信息处理；利用公式I=Icic0s2Oiicj5/^+ Θ )解调出轨道角动量模式的相位πιΦ，其中I为经过步骤d的干涉图样的光强，IO为为经过步骤c的左右圆偏光叠加的光斑图样的光强，m为拓扑荷，Φ为干涉平面上的方位角，Θ为检偏器与水平方向的夹角。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0021]本发明基于光束轨道角动量解调装置，设置激光器、第一调制模块、角动量发生模块、第二调制模块、解调模块，所述激光器输出相互平行的光束，所述光束依次经过第一调制模块、角动量发生模块、第二调制模块、解调模块形成光路，所述解调模块与第二调制模块之间设置有可活动放置的用于产生干涉图像的干涉模块。干涉模块的设置是为了生成对称的花瓣状干涉图样，得到拓扑荷的大小，以便利用光强公式对轨道角动量进行相位恢复。本发明通过对经过检偏器的干涉图样和未经检偏器的光斑图样的质量检测以及处理，可对轨道角动量模式相位中的奇点附近的相位进行恢复，减少了解调出错的可能性，降低了误码率，提高了通信的可靠性，且本发明设计合理，结构简单，成本低，使用方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为实施例1基于光束轨道角动量解调装置的结构示意图。
[0023]图2为实施例1相位恢复结果与模拟结果对照示意图。
[0024]图3为实施例2相位恢复结果与模拟结果对照示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0026]本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0027]实施例1
[0028]如图1至2所示为本发明基于光束轨道角动量解调装置的第一实施例，基于光束轨道角动量解调装置包括包括激光器1、第一调制模块2、角动量发生模块3、第二调制模块
4、解调模块5,激光器I输出相互平行的光束,光束依次经过第一调制模块2、角动量发生模块3、第二调制模块4、解调模块5形成光路，解调模块5与第二调制模块4之间设置有可活动放置的用于产生干涉图像的干涉模块6。具体地，对光激光器I发出的光束进行调制的第一调制模块2包括依次排列的物镜21、小孔装置22、透镜23、光阑24、第一偏振片25，激光器I发出的光束能依次经过物镜21、小孔装置22的小孔、透镜23、光阑24及第一偏振片25。激光器I能够输出相互平行的光束；物镜21将激光器11输出的所有光束会聚；小孔装置22位于物镜21的后焦平面上，同时位于透镜23的前焦平面上，小孔装置22进行光波的过滤，透镜23将光束准直发射出去；光阑24位于透镜23的后焦平面与第一偏振片25之间，光阑24用于获得质量较好的光束；第一偏振片25用于调整光的偏振状态，达到最好的相位调制。另外，角动量发生模块3包括能形成干涉光路和参考光路的偏振分束器31、分束器33，干涉光路设有涡旋相位板311，且干涉光路和参考光路分别设有能使干涉光路和参考光路汇聚的第一反射镜312、第二反射镜321，分束器33位于干涉光路和参考光路汇聚的位置。本实施例中第一偏振片25为λ/2波片。
[0029]其中，第二调制模块4为λ/4波片，λ/4波片用于调整光的偏振状态，达到最好的相位调制。干涉模块6为检偏器,检偏器旋转一定的角度可使角动量发生模块3产生的符合干涉条件的两束光产生干涉图像。解调模块5为光束质量分析仪，光束质量分析仪用于检测最终测量结果。
[0030]本实施例中具体的应用步骤如下:
[0031]a.首先激光器I输出相互平行的光束，经过物镜21聚焦到物镜21的后焦面上，调节小孔装置22至物镜21焦点处，对光束进行过滤，过滤后的光束经过透镜23扩束准直，经过光阑24得到理想的线偏高斯平面光波，线偏高斯平面光波通过第一偏振片25调整光波偏振方向，使得偏振分束器31能够将光束等光强平分；光束入射调节偏振分束器31后将被分为两束传播方向相互垂直的竖直线偏光和水平线偏光；
[0032]b.将步骤a得到的竖直线偏光或水平线偏光经过涡旋相位板311产生带有传播信息的轨道角动量，经过第一反射镜312反射；与之相对应的水平线偏光或竖直线偏光作为参考光，经过第二反射镜321反射；所述反射后的两束线偏光在分束器33处汇聚，发射出平行光；
[0033]c.将步骤b得到的平行光经过快轴与水平方向夹角为45°的λ/4波片调整光波偏振方向，形成左右圆偏光叠加的光斑图样；
[0034]d.将步骤c得到的左右圆偏光通过设置的检偏器，产生对称的花瓣状干涉图样；
[0035]e.分别将步骤c得到的左右圆偏光经过步骤d的干涉图样和未经过步骤d的圆偏光存储以及进行检测信息处理；利用公式I=Icic0s2Oiicj5/^+ Θ )解调出轨道角动量模式的相位πιΦ，其中I为经过步骤d的干涉图样的光强，10为为经过步骤c的左右圆偏光叠加的光斑图样的光强，m为拓扑荷，Φ为干涉平面上的方位角，Θ为检偏器与水平方向的夹角。本实施例中拓扑荷值m为4。
[0036]实施例2·[0037]如图3所示为本发明基于光束轨道角动量解调装置及其应用方法的第二实施例，本实施例与实施例一类似，所不同之处在于，本实施例中拓扑荷值m为8。
[0038]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于光束轨道角动量解调装置，包括激光器(I)、第一调制模块(2)、角动量发生模块(3)、第二调制模块(4)、解调模块(5)，其特征在于，所述解调模块(5)与第二调制模块(4)之间设置有可调节的用于产生干涉图像的干涉模块(6)，激光器(I)发出的光束能依次经过第一调制模块(2)、角动量发生模块(3)、第二调制模块(4)、干涉模块(6)及解调模块(5)。
2.根据权利要求1所述的基于光束轨道角动量解调装置，其特征在于，所述干涉模块(6)为可使角动量发生模块(3)产生的符合干涉条件的两束光产生干涉图像的检偏器。
3.根据权利要求2所述的基于光束轨道角动量解调装置，其特征在于，所述第一调制模块(2)包括依次排列的物镜(21)、小孔装置(22)、透镜(23)、光阑(24)、第一偏振片(25)，激光器(I)发出的光束能依次经过物镜(21)、小孔装置(22)的小孔、透镜(23)、光阑(24)及第一偏振片(25)。
4.根据权利要求3所述的基于光束轨道角动量解调装置，其特征在于，所述角动量发生模块(3)包括能形成干涉光路和参考光路的偏振分束器(31)、分束器(33)，所述干涉光路设有润旋相位板(311),且干涉光路和参考光路分别设有能使干涉光路和参考光路汇聚的第一、二反射镜(312、321)，分束器(33)位于干涉光路和参考光路汇聚的位置。
5.根据权利要I至4任一项所述的基于光束轨道角动量解调装置，其特征在于，所述第二调制模块(4)为λ/4波片(λ为波长)。
6.根据权利要求1至4任一项所述的基于光束轨道角动量解调装置，其特征在于，所述解调模块(5)为光束质量分析仪。
【文档编号】G02F2/00GK103713443SQ201310680948
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】孙华阳, 谢向生, 杨良信, 周建英 申请人:中山大学