基于干涉分离技术的OAM解复用方法及装置与流程

本发明涉及OAM解复用技术，尤其涉及基于干涉分离技术的OAM检测技术。

背景技术：

根据麦克斯韦方程，电磁辐射同时载有能量和动量，其动量包括线动量和角动量。其中角动量可以分为两个部分:自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)，SAM与电磁场的圆极化特性相关，OAM与电磁场的相位结构相关，总体来说，电磁场的SAM与OAM是可以相互转化的，在没有与外界系统角动量交换的条件下，可以维持总的角动量守恒。近年来，随着通信技术的发展，无线通信也向着高带宽、高速率的方向发展。如何合理的利用频谱资源，提高频谱利用率和编码效率，成为当今无线领域的一个研究热点。自从L.Allen证明携带有的exp(-ilθ)相位因子的电磁波带有电磁轨道角动量(OAM)，其中l代表OAM态，我们称之为拓扑荷。由于理论上不同OAM态之间是相互正交的，所以近些年人们希望电磁波的OAM态在通信领域中能够很好地得到应用，成为提高通信速率以及编码效率的基础，在学术界得到了广泛的研究。

目前，OAM态的解复用技术十分单一，主要是通过反相位板的方法来将涡旋光束转换成高斯光束，并且该方法会带来许多不必要的能量损失。为此人们通过设计光学衍射元件来实现OAM信道多路解复用，为此又提出了达曼叉形光栅。达曼型叉形光栅是迄今为止同时解复用效果最好的器件。但是，这种光栅对OAM态的选取要求严格，并且不可变，不同OAM态的涡旋光束不能任意分布，可控性较差。因此本申请提出一种基于干涉分离和高效光学衍射元件结合的方式来实现高效的OAM解复用。

技术实现要素：

本发明通过将复合OAM态的涡旋光通过道威棱镜进行奇偶OAM态分离，再通过复合的相位全息图进行解调检测。该方法避免插入不同的延迟板或使用多个级联干涉仪就可以将单螺旋光束或者两个同轴叠加相干和非相干螺旋光束按照OAM态的奇偶数进行分离，再通过所设计的高效复合相位全息图进行解调，从而实现OAM信道的高效解复用。

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于干涉分离技术的OAM解复用装置，该装置分为两个部分，第一部分是OAM干涉分离装置，第二部分是复合相位全息图；OAM干涉分离装置包括两个道威棱镜、两个平面镜和两个光学分束器，按照等光程的方式按照矩形位置摆放，两个道威棱镜放置位置的相对角度保持相差90°；在输出端口A和B处设有SLM2和SLM3，复合相位全息图分别设置在SLM2和SLM3上。

作为本发明的进一步改进，所述复合相位全息图是通过空间光调制器和MATLAB仿真软件设计。

作为本发明的进一步改进，所述SLM是一个1280X1280像素的空间光调制器，更新频率为20us。

作为本发明的进一步改进，所述光学分束器是一个单面相位变化的分束器，从固定方向入射会实现π的相位变化。

作为本发明的进一步改进，还包括CCD光学相机，分别设置用来收集SLM2和SLM3处的图片。

基于干涉分离技术的OAM解复用方法，其利用上述任意一项所述的装置，具体步骤如下：

(1)当一束复合OAM态的涡旋激光进入解复用装置后，首先对于OAM奇偶干涉分离部分，将两个道威棱镜、两个平面镜和两个单面分束器按照等光程的方式按照矩形位置摆放，两个道威棱镜位置放置的相对角度要保持相差90°；

(2)通过奇偶分离之后，再对不同端口进行检测；根据基底的OAM态中的奇数部分，设计成端口A的解调复合相位全息图，用来检测奇数OAM态；根据基底的OAM态中的偶数部分，设计成端口B的解调复合相位全息图，用来检测偶数OAM态；

(3)经过一段时间的传输后，到达该系统的奇偶分离端，通过分束器形成了两路光束，最后在输出端口A和B上，A端口输出的是奇数OAM态的复合涡旋光束，输出端口B的是偶数OAM态复合的涡旋光束，两个端口输出的复合涡旋光束分别入射到SLM2和SLM3上，经过解复用后，在不同的衍射级会有不同OAM态的涡旋光束转化为高斯亮点，实现OAM信道的解复用。

作为本发明的进一步改进，还包括如下步骤：通过更新SLM1的相位全息图来改变发送的复合涡旋光束来改变传输的信息，再依次经过上述系统，直到一张图片上的所有像素值传输完毕。

本发明的有益效果是：

本发明利用涡旋光束的干涉特性，通过相差π的相位叠加干涉相消的特点，通过道威棱镜将相位进行旋转，再使用分束器进行叠加可以将奇偶OAM态进行分离。分离后的复合涡旋光束，在经过所设计的复合相位全息图可以在每个衍射级上观察到亮点的分布，实现了更加高效的复合OAM信道的解复用。比起传统的反相位板解复用方法，该方法更高效，损失的能量更小。对于OAM通信系统有着很大的意义。

附图说明

图1是基于干涉分离技术的高效OAM解复用系统框架图；

图2是通过奇偶分离后的不通过端口所得到的复合涡旋光束；

图3是不同端口的复合涡旋光束经过高效复合相位全息图的解复用光强图；

图1中：BS：光学分束器；DP：道威棱镜；M：平面镜；L：透镜；CCD：光学相机；d：距离；SLM：空间光调制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明是基于传统的涡旋光束干涉分离技术，根据实际应用进行设计的。根据涡旋光束不同OAM态之间的正交性，可以建立一套基于干涉分离技术的OAM解复用装置。如图1所示：该装置分为两个部分，第一部分是由两个道威棱镜(DP1和DP2)和光学分束器(BS1和BS2)组成的OAM干涉分离装置，第二部分是通过空间光调制器(SLM)和MATLAB仿真软件所设计的复合相位全息图，经过衍射到不同的位置，对衍射级的亮点来进行OAM态的判定。

基于干涉分离技术的OAM解复用方法，具体步骤如下：

(1)当一束复合OAM态的涡旋激光进入解复用装置后，首先对于OAM奇偶干涉分离部分，将两个道威棱镜，两个平面镜(M1和M2)和两个单面分束器(BS：Beam Splitters)按照等光程的方式按照矩形位置摆放，要注意两个道威棱镜分别要相差90°，位置放置的相对角度要保持相差90°，如图1的DP1和DP2的摆放位置，以实现涡旋相位的旋转。

(2)通过奇偶分离之后，再对不同端口进行检测。根据基底的OAM态中的奇数部分，设计成端口A的解调复合相位全息图，专门用来检测奇数OAM态；根据基底的OAM态中的偶数部分，设计成端口B的解调复合相位全息图，专门用来检测偶数OAM态。

(3)经过一段时间的传输后，到达该系统的奇偶分离端，通过分束器形成了两路光束，最后在输出端口A和B上，A端口输出的都是奇数OAM态的复合涡旋光束，B端口输出的是偶数OAM态复合的涡旋光束。两个端口输出的复合涡旋光束分别入射到SLM2和SLM3上，经过解复用后，在不同的衍射级会有不同OAM态的涡旋光束转化为高斯亮点，实现OAM信道的解复用。

SLM是一个1280X1280像素的空间光调制器，更新频率为20us。

涡旋激光为氦氖激光，其波长为1550nm，束腰半径为3.5mm，传输距离为1m。

光学分束器是一个单面相位变化的分束器，从固定方向入射会实现π的相位变化。

相位全息图是根据迭代算法通过MATLAB仿真软件所设计的。MATLAB是国内外都用的数值仿真计算工具，其所生产的相位全息图输入到空间光调制器(slm)中就可以实现光场相位的操控。

实施例1：

下面结合实施例对本发明进一步说明。

(1)选取一组不同OAM态的涡旋光束{-4，-3，-2，-1，+1，+2，+3，+4}作为基底，按照奇偶分类，可以分为{-3，-1，+1，+3}和{-4，-2，+2，+4}。根据这两个子基底的拓扑荷生成平均能量分布的相位全息图，并分别将其固定到SLM2和SLM3中作为解复用装置；

(2)假设传输一种灰度图，将图像的每个灰度值转化为二进制，每八个信息位对应一组拓扑荷，例如01101000对应为{-3，-2，+1}，输入到所设计的迭代算法里用来生成复合全息图，并输入到SLM1中作为编码端；

(3)在发射端，一束氦氖激光器发射的高斯光束入射到SLM1上就会生成带有多个OAM态的复合涡旋光束，并且携带相应的信息在自由空间中进行传输；

(4)经过一段时间的传输后，到达接收端。复合的涡旋光束首先进入OAM干涉分离装置，在端口A输出奇数拓扑荷复合的涡旋光束，例如{-3，+1}的复合涡旋光束，在端口B输出{-2}；

(5)通过更新SLM1的相位全息图来改变发送的复合涡旋光束来改变传输的信息，再依次经过上述系统，直到一张图片上的所有像素值传输完毕。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。