基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置及方法

本发明涉及光通信，尤其涉及的是基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置及方法。

背景技术：

1、奇异光束模式指的是一种因具有相位或偏振奇异性而在横截面上呈现出暗中空的圆对称环形光强分布的光束模式，通常包括相位奇异的涡旋光束模式(vortex beam，vb)、偏振奇异的柱矢量光束模式(cylindrical vectorbeam)以及相位偏振奇异的柱矢量涡旋光束(cylindrical vectorvortex beam，cvvb)模式等。由于携带理论上空间无界且正交完备的轨道角动量(orbital angular momentum，oam)或空间轴对称偏振拓扑荷，奇异光束模式的复用和处理为大容量模分复用光通信系统拓展了新的复用维度，并在提升通信系统的传输速率和频带宽度上发挥了至关重要的作用。在奇异光束模式的复用光通信系统中，节点处奇异光束模式信道的重置和模式间的相对独立转换对于后续模式信号的多样化处理极为关键，而奇异光束模式的乘法变换则能够以统一的倍乘运算范式实现模式在节点处的相对独立转换，为满足用户端的个性化信号处理需求提供了一条便捷的途径。

2、传统光学系统中由q板等液晶器件来执行光束模式的统一变换，但这类器件对复用光束模式的整体信道搬移容易产生模式的重叠和串扰，从而影响信息的传输质量。深度学习算法同样也研究用来实现光束模式的任意独立转换，以匹配多通道多用户的定制模式处理需求。但这一方法需要根据特定的需求调控光束模式的衍射规律，对输入状态和目标需求的适应性较差，难以实现多目标需求的独立模式转换。

3、近年来，研究人员利用几何光学变换原理实现了光束模式的乘法变换，通过光束的规律映射关系令光束模式发生倍乘的变换，模式之间的间隔增大并且变换过程相对独立。最初的方法为一对正反对数-极坐标变换通过正变换将输入光束的方位相位梯度映射为线性相位梯度，经过光束复制后再由逆变换将倍乘的线性相位梯度包裹成方位相位梯度，从而实现模式的乘法变换。然而这种解决方式至少需要四个光学元件，存在着系统庞大和冗余的问题，不利于小型化和集成化。而方位缩放的螺旋变换则是借助涡旋光束模式本身的相位螺旋，将方位相位梯度映射为更长的线性相位梯度再重新包裹，其在实现模式乘法变换上表现出更为优越的性能，但这种变换存在着不可忽视的能量损失。

4、因此，现有的奇异光束模式复用通信网络中对光束模式的调控方式还存在灵活性低的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置及方法，以解决现有的奇异光束模式复用通信网络中对光束模式的调控方式还存在灵活性低的问题。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置，包括：

4、级联超构表面，所述级联超构表面用于将入射奇异光束复制并映射到同一圆周的互补扇区上，以及校正映射后的光束在传播过程中因光程不同带来的畸变，得到奇异光束模式下任意倍乘因子变换的光束模式。

5、在一种实现方式中，所述级联超构表面为两块si-sio2型的超构表面在空间中以2mm的间距级联而成的结构，每块所述超构表面的尺寸大小为0.8mm×0.8mm。

6、在一种实现方式中，每块所述超构表面包括：多个纳米柱单元结构，多个所述纳米柱单元结构以800nm周期在相同二维平面上排列。

7、在一种实现方式中，所述纳米柱单元结构的高度为800nm；所述纳米柱单元结构对二维平面上任意方向的偏振光束呈现各项同性的相位响应，并且以变化的半径大小实现相位在0～2π范围内的连续相位响应。

8、在一种实现方式中，所述级联超构表面中第一块超构表面上的光学传递函数表示为：

9、

10、其中，f为两块超构表面之间的衍射距离；

11、λ为工作波长；

12、为变换平面上的圆扇形坐标系；

13、α，β分别为影响变换过程的两个常参数；

14、n为倍乘因子，可取除0和1以外的任何整数，且为变换得到的圆扇区总数；

15、p为圆扇区的序数。

16、在一种实现方式中，所述级联超构表面中第二块超构表面的相位响应为：

17、

18、所述第二块超构表面放置在距第一块超构表面f的位置处，用以校正光束在衍射过程中由于光程不同而带来的相位畸变。

19、第二方面，本发明提供一种基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换方法，包括：

20、基于圆扇形坐标变换原理将入射奇异光束复制并映射到同一圆周的互补扇区上；其中，所述入射奇异光束包括：涡旋光束、柱矢量光束以及柱矢量涡旋光束；

21、校正映射后的光束在传播过程中因光程不同带来的畸变，得到奇异光束模式下任意倍乘因子变换的光束模式。

22、在一种实现方式中，所述基于圆扇形坐标变换原理将入射奇异光束复制并映射到同一圆周的互补扇区上，包括：

23、当一束偏振拓扑荷为m，相位拓扑荷为l的奇异光束模式垂直入射到超构表面上，在相位变换的作用下，拓扑荷分别为l+m和l-m的左右旋圆偏振涡旋光分量均以相同的方式进行从圆到扇区的映射。

24、在一种实现方式中，所述校正映射后的光束在传播过程中因光程不同带来的畸变，得到奇异光束模式下任意倍乘因子变换的光束模式，包括：

25、若所述入射奇异光束为拓扑荷l的涡旋光束模式或多涡旋光束叠加模式，倍乘系数为n，则经过校正后输出的光束模式为高模式纯度的拓扑荷n*l的涡旋光束模式。

26、在一种实现方式中，所述校正映射后的光束在传播过程中因光程不同带来的畸变，得到奇异光束模式下任意倍乘因子变换的光束模式，还包括：

27、若所述入射奇异光束为相位拓扑荷l且偏振拓扑荷m的柱矢量涡旋光束模式，倍乘系数为n，则所述入射奇异光束从两束拓扑荷数分别为l-m和l+m的涡旋光束模式的角度进行模式的乘法变换，校正后得到相位拓扑荷为n*l和偏振拓扑荷数为n*m的柱矢量涡旋光束模式。

28、本发明采用上述技术方案具有以下效果：

29、本发明提出了一种基于圆扇形坐标变换原理的实现任意奇异光束模式乘法变换的装置，来实现通信系统节点处奇异光束模式在任意倍乘因子下的变换，以达成复用多奇异光束模式的低串扰独立转换，在构建奇异光束模式的高速大容量模分复用光通信网络等多个其他领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置，其特征在于，所述级联超构表面为两块si-sio2型的超构表面在空间中以2mm的间距级联而成的结构，每块所述超构表面的尺寸大小为0.8mm×0.8mm。

3.根据权利要求2所述的基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置，其特征在于，每块所述超构表面包括：多个纳米柱单元结构，多个所述纳米柱单元结构以800nm周期在相同二维平面上排列。

4.根据权利要求3所述的基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置，其特征在于，所述纳米柱单元结构的高度为800nm；所述纳米柱单元结构对二维平面上任意方向的偏振光束呈现各项同性的相位响应，并且以变化的半径大小实现相位在0～2π范围内的连续相位响应。

5.根据权利要求1所述的基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置，其特征在于，所述级联超构表面中第一块超构表面上的光学传递函数表示为：

6.根据权利要求1所述的基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置，其特征在于，所述级联超构表面中第二块超构表面的相位响应为：

7.一种基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换方法，其特征在于，所述基于圆扇形坐标变换原理将入射奇异光束复制并映射到同一圆周的互补扇区上，包括：

9.根据权利要求7所述的基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换方法，其特征在于，所述校正映射后的光束在传播过程中因光程不同带来的畸变，得到奇异光束模式下任意倍乘因子变换的光束模式，包括：

10.根据权利要求7所述的基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换方法，其特征在于，所述校正映射后的光束在传播过程中因光程不同带来的畸变，得到奇异光束模式下任意倍乘因子变换的光束模式，还包括：

技术总结
本发明公开了基于圆扇形坐标变换的奇异光束模式乘法变换装置及方法，包括：级联超构表面，所述级联超构表面用于将入射奇异光束复制并映射到同一圆周的互补扇区上，以及校正映射后的光束在传播过程中因光程不同带来的畸变，得到奇异光束模式下任意倍乘因子变换的光束模式；本发明提出了一种基于圆扇形坐标变换原理的实现任意奇异光束模式乘法变换的装置，来实现通信系统节点处奇异光束模式在任意倍乘因子下的变换，以达成复用多奇异光束模式的低串扰独立转换，在构建奇异光束模式的高速大容量模分复用光通信网络等多个其他领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：黄辉华,王晶,曾庆计,吴海生,谢智强,刘俊敏,李瑛,范滇元,陈书青
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22