基于柱矢量光束（CVB）的通信复用系统及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统及方法。

背景技术：

随着社会经济的发展，人们对数据的传输速率的要求越来越高。在目前的技术条件下，光纤的带宽资源是有限的。所以从长远来看，寻求新的通信复用维度是大势所趋。而柱矢量光束(cylindricalvectorbeam，cvb)为光通信系统提供了一个全新的复用维度，可以在不展宽系统带宽的前提下大幅度提升系统容量。

对于cvb光束在光通信方面的研究目前都是集中在cvb光束在自由空间中的传输和通信，但是在自由空间的传输和通信存在损耗大的问题，导致传输的距离有限。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种传输损耗小的基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统及方法。

一种基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统，所述系统包括：激光器、信息编码模块、分束模块、cvb生成模块、复用模块、光子晶体光纤传输模块；所述激光器用于产生激光束；所述信息编码模块用于对所述激光束进行编码，得到携带有信息的激光束；所述分束模块用于将携带有信息的激光束分为多路光束；所述cvb生成模块用于将多路光束分别转换为不同阶的柱矢量光束；所述复用模块用于将多路不同阶的柱矢量光束合成同轴柱矢量光束；所述光子晶体光纤传输模块用于将所述同轴柱矢量光束聚焦耦合到光子晶体光纤内部进行传输。

在一个实施例中，所述分束模块包括：第一耦合器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第二耦合器和第三耦合器；所述第一耦合器用于将携带有信息的激光束分为两路光束，其中一路光束经过所述第一掺铒光纤放大器进行光束放大，然后经过所述第二耦合器分为两个子路光束；另一路光束经过所述第二掺铒光纤放大器进行光束放大，然后经过所述第三耦合器分为两个子路光束。

在一个实施例中，所述cvb生成模块包括多路通道，每个通道中包含不同的涡旋玻片，所述涡旋玻片用于将通道中的激光束转换为柱矢量光束，不同涡旋玻片对应转换成不同阶的柱矢量光束。

在一个实施例中，所述复用模块包括：多个分束器；所述分束器用于将多路不同阶的柱矢量光束组合成同轴柱矢量光束。

在一个实施例中，所述光子晶体光纤传输模块包括：第一物镜和光子晶体光纤；所述第一物镜用于将接收到的所述同轴柱矢量光束聚焦耦合到所述光子晶体光纤内部；所述光子晶体光纤用于传输包含有多阶柱矢量光束的同轴柱矢量光束。

在一个实施例中，所述系统还包括：调整模块，所述调整模块包括：偏振控制器和准直器，每一通道都对应有一个偏振控制器和准直器；所述偏振控制器用于调整相应通道中的光束的偏振；所述准直器用于将所述调整后的光束转换为平行光束。

在一个实施例中，所述系统还包括：解复用模块，所述解复用模块包括：第二物镜和涡旋玻片；所述第二物镜用于对所述光子晶体光纤输出的光束进行发散传输到所述涡旋玻片；所述涡旋玻片用于对包含有多阶柱矢量的光束进行解复用。

在一个实施例中，所述系统还包括：验证模块，所述验证模块包括：聚焦透镜和ccd相机；所述聚焦透镜用于将解复用之后的光束聚焦到ccd相机；所述ccd相机用于监测输出的光束的偏振状态变化。

在一个实施例中，所述验证模块还包括：可变光衰减器、第三掺铒光纤放大器、带通滤波器、光电探测器和可编程误差检测器；所述可变光衰减器用于通过改变不同光束强度来获取在不同光束强度下的误比特率；所述第三掺铒光纤放大器用于对光束进行放大，所述带通滤波器用于滤波噪声；所述光电探测器用于将光束转换为电信号传输给所述可编程误差检测器；所述可编程误差检测器用于检测所述激光束中携带的信息的误差率。

一种基于柱矢量光束(cvb)的通信复用方法，应用于通信复用系统，所述系统包括：激光器、信息编码模块、分束模块、cvb生成模块、复用模块、光子晶体光纤传输模块；所述方法包括：

所述激光器将产生的激光束发送给所述信息编码模块；

所述信息编码模块对所述激光束进行编码，得到携带有信息的激光束，将所述携带有信息的激光束发送给所述分束模块；

所述分束模块将携带有信息的激光束分为多路光束，传输给所述cvb生成模块；

所述cvb生成模块将所述多路光束分别转换为不同阶的柱矢量光束，将多路所述不同阶的柱矢量光束传输给所述复用模块；

所述复用模块将多路不同阶的柱矢量光束合成同轴柱矢量光束，然后将所述同轴柱矢量光束传递给所述光子晶体光纤传输模块；

所述光子晶体光纤传输模块将所述同轴柱矢量光束聚焦耦合到光子晶体光纤内部进行传输。

上述基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统及方法，通过将包含有多阶的柱矢量光束聚焦耦合到光子晶体光纤内部进行传输，由于柱矢量光束具有多个复用维度，所以具有更大的信息容量，光子晶体光纤具有高信息容量、低损耗的优点，使得柱矢量光束能够携带信息在光子晶体光纤中进行高效率的传输，大大降低了损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为一个实施例中基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统的结构框图；

图2为一个实施例中不同cvb的电场分布示意图；

图3为一个实施例中光子晶体光纤(pcf)的结构示意图；

图4为一个实施例中分束模块的结构框图；

图5为一个实施例中基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统的实验示意图；

图6为一个实施例中在pcf中传输cvb光束的实验装置示意图；

图7为一个实施例中基于柱矢量光束(cvb)的通信复用方法的流程图。

具体实施方式

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。

如图1所示，在一个实施例中，提出了一种基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统，该系统包括：激光器10、信息编码模块20、分束模块30、cvb生成模块40、复用模块50和光子晶体光纤传输模块60；

激光器10用于产生激光束；信息编码模块20用于对所述激光束进行编码，得到携带有信息的激光束；分束模块30用于将携带有信息的激光束分为多路光束；cvb生成模块40用于将多路光束分别转换为不同阶的柱矢量光束；复用模块50用于将多路不同阶的柱矢量光束合成同轴柱矢量光束；光子晶体光纤传输模块60用于将所述同轴柱矢量光束聚焦耦合到光子晶体光纤内部进行传输。

其中，激光器10为产生激光束的光源。信息编码模块用于将激光束进行信息编码，使激光束携带信息，信息编码模块中包括光束源，光束源可以来自可编码图像发生器(ppg)，通过可编码图像发生器ppg对激光束进行信息编码，得到携带有信息的激光束。

分束模块30用于将激光束分为多份，形成多路光束。在一个实施例中，分束模块30中包括n分光纤耦合器，用于将携带有信息的激光束分为n份，此外还可以包括：掺铒光纤放大器，用于对每一路光束进行放大。

cvb生成模块40中相应地包含对多路光束进行转换的通道，每个通道中包含有不同的涡旋玻片，这样就将多路光束分别转换为了不同阶的柱矢量光束。比如，对于1阶涡旋玻片(vwp1)产生1阶cvb光束，经过一个2阶涡旋玻片(vwp2)产生2阶cvb光束，另外，通过半玻片hwp和涡旋玻片的组合可以产生任意阶cvb光束。比如，一个3阶cvb光束的产生可以通过vwp1-hwp-vwp2的组合得到，-3阶cvb光束的产生可以通过hwp-vwp1-hwp-vwp2-hwp的组合得到。

cvb光束是一种基于偏振奇点的正交柱矢量模式，阶数不同的cvb光束相互正交，并且阶数相同的cvb光束也存在有两个相互正交的偏振态，例如同为1阶cvb光束的径向偏振光和角向偏振光。如图2所示，显示了能够被光子晶体光纤(pcf)中传输的cvb的本征模电场从±1到±4的电场分布。箭头表示电场的方向或cvb的局部极化特性，通过沿方位角旋转极化方向可以提取cvb的顺序。在一个实施例中，cvb生成模块可以得到±1、±2、±3、±4阶的cvb光束。

复用模块50用于将多路不同阶的柱矢量光束合成为一路，通过采用多个分束器将多路光束都合成到同一路，即合成为同轴柱矢量光束。

光子晶体光纤传输模块60用于将包含有多阶cvb光束的同轴柱矢量光束聚焦耦合到光子晶体光纤内部，这样光子晶体光纤就可以对多阶cvb光束进行传输了。在一个实施例中，光子晶体光纤是由气孔微结构和由气孔微结构按照周期性排列得到的光子带隙组成的，外层由光子晶体包围。

如图3所示，为一个实施例中光子晶体光纤(pcf)的结构示意图，该光子晶体光纤为19胞空气芯光子晶体光纤，空芯的直径为21.87μm，空气孔的包层的微结构的直径为3.84μm，属于光子带隙型光子晶体光纤，光纤包层由空气孔按类似于蜂窝的结构周期性排列形成，在芯子位置的一个蜂窝单元中心处加一个小空气孔，从而引入缺陷，形成芯区。由于光在空气中传输，所以它的速度比在实芯光纤中传输快30％，而且通过多路同轴传输cvb实现更大信息容量传输。

如图4所示，在一个实施例中，所述分束模块包括：第一耦合器302、第一掺铒光纤放大器304、第二掺铒光纤放大器306、第二耦合器308和第三耦合器310；所述第一耦合器302用于将携带有信息的激光束分为两路光束，其中一路光束经过所述第一掺铒光纤放大器304进行光束放大，然后经过所述第二耦合器308分为两个子路光束；另一路光束经过所述第二掺铒光纤放大器306进行光束放大，然后经过所述第三耦合器310分为两个子路光束。

其中，首先，通过第一耦合器302将激光束分为两路，然后每一路都经过一个掺铒光纤放大器光束放大，然后再将每一路再分为两路，总共形成4路光束，为了叙述的区分，将后面分成的两路光束称为“子路光束”。将光束分为4路，便于后续针对每一路分别进行cvb光束的转换，得到多阶的cvb光束。

在一个实施例中，所述cvb生成模块包括多路通道，每个通道中包含不同的涡旋玻片，所述涡旋玻片用于将通道中的激光束转换为柱矢量光束，不同涡旋玻片对应转换成不同阶的柱矢量光束。

其中，不同的涡旋玻片用于产生不同阶的柱矢量光束，不同柱矢量光束具有不同的偏振方向，具有更多的容量。为了使得产生的多路柱矢量光束不相关，设置每一路以不同长度的单模光线传输到涡旋玻片。在一个实施例中，将光束分为4路后，分别通过不同长度的单模光纤传递，然后分别通过准直器将激光束转换为平行激光束传递到涡旋玻片进行cvb光束的转换，比如，转换得到的4路cvb光束分别为+3、-3、+2和-2阶的cvb。

在一个实施例中，所述复用模块包括：多个分束器；所述分束器用于将多路不同阶的柱矢量光束组合成同轴柱矢量光束。

其中，在得到多路不同阶的柱矢量光束后，可以通过多个分束器将多路光束通过反射或透射集合到同一路，即得到同轴矢量光束。

在一个实施例中，所述光子晶体光纤传输模块包括：第一物镜和光子晶体光纤；所述第一物镜用于将接收到的所述同轴柱矢量光束聚焦耦合到所述光子晶体光纤内部；所述光子晶体光纤用于传输包含有多阶柱矢量光束的同轴柱矢量光束。

其中，光子晶体光纤传输模块包括第一物镜和光子晶体光纤，第一物镜用于将光束聚焦耦合到光子晶体光纤内部，这样就可以通过光子晶体光纤传输多阶柱矢量光束的同轴柱矢量光束。

在一个实施例中，上述基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统还包括：调整模块，所述调整模块包括：偏振控制器和准直器，每一通道都对应有一个偏振控制器和准直器；所述偏振控制器用于调整相应通道中的光束的偏振；所述准直器用于将所述调整后的光束转换为平行光束。

其中，为了更好地得到cvb光束，在传输到cvb生成模块之前，首先，每一通道的光束都通过偏振控制器进行调整，调整光束的偏振，以便于确保所有通道后续生成的都是自由空间中的正交偏振cvb状态。在调整完之后，都通过准直器对光束进行准直得到平行光束，便于平行照射到涡旋玻片来产生cvb光束。

在一个实施例中，上述基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统还包括：解复用模块，所述解复用模块包括：第二物镜和涡旋玻片；所述第二物镜用于对所述光子晶体光纤输出的光束进行发散传输到所述涡旋玻片；所述涡旋玻片用于对包含有多阶柱矢量的光束进行解复用。

其中，在使用光子晶体光纤传输后，在接收端进行解复用，解复用是通过物镜和涡旋玻片来实现的，这里的第二物镜与前面的第一物镜的作用相反，前面的第一物镜用于聚焦，这里的第二物镜是将cvb光束进行发散，然后照射到涡旋玻片进行解复用，即将原来的多阶cvb分离。不同阶的涡旋片用于分离不同阶的cvb光束，比如，如果有±2和±3阶，其中±2和±3阶需要采用两个涡旋玻片来分离，进一步的，同阶的cvb光束通过偏振分束器(pbs)来分离。

在一个实施例中，上述基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统还包括：验证模块，所述验证模块包括：聚焦透镜和ccd相机；所述聚焦透镜用于将解复用之后的光束聚焦到ccd相机；所述ccd相机用于监测输出的光束的偏振状态变化。

其中，在通过涡旋玻片对cvb光束进行解复用之后，采用聚焦透镜将解复用之后的光束聚焦到ccd相机，以便通过ccd相机检测输出的光束的偏振状态变化。

在一个实施例中，所述验证模块还包括：可变光衰减器、第三掺铒光纤放大器、带通滤波器、光电探测器和可编程误差检测器；所述可变光衰减器用于通过改变不同光束强度来获取在不同光束强度下的误比特率；所述第三掺铒光纤放大器用于对光束进行放大，所述带通滤波器用于滤波噪声；所述光电探测器用于将光束转换为电信号传输给所述可编程误差检测器；所述可编程误差检测器用于检测所述激光束中携带的信息的误差率。

其中，为了对cvb光束经过光子晶体光纤传输的结果进行验证，还包括可变光衰减器，用于通过改变不同光束强度来检测不同光束强度下的误比特率。为了对光束更好地验证，采用第三掺铒光纤放大器进行信号放大，之后采用带通滤波器去除噪声，然后将滤波后的光束通过光电探测器进行光电转换得到电信号，然后将电信号传输给可编程误差检测器，采用可编程误差检测器对激光束中携带的信息的误差率进行检测。

如图5所示，为一个实施例中，基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统的实验示意图。首先，由laser(激光器)产生激光束(比如，采用波长为1550nm)，然后进入mzm(调制器)，结合可编程图形发生器ppg和线性放大器(bias)对激光束进行信息编码，然后将编码后的激光束通过smf(单模光纤)传输到一个2分耦合器(图中的1x2)，将携带有信息的激光束分为两支，然后两个通道分别采用edfa(掺铒光纤放大器)放大，之后两个分支分别由一个2分耦合器再次一分为二，得到4个分支，然后4个分支以不同长度(分别为0m，10m，20m和40m)的单模光纤传输，以确保四个通道的信号不相关。四个通道最后通过准直器(col)准直输出到不同涡旋玻片(vwp为涡旋玻片，分为vwp1和vwp2，hwp为半玻片，两者组合可以产生不同的cvb光束)产生四种不同的cvb光束(±2和±3阶的cvb)，此外，在准直器col之前分别采用偏振控制器fc对光束的偏振进行调整。在四个通道采用涡旋玻片产生cvb光束后，采用三个分束器(bs)将四个分支组合成同轴光束，然后将同轴光束耦合到光子晶体光纤pcf(图中为air-corepcf，即空芯pcf)中进行传输。为了输出结果进行验证，从pcf输出的光束由另一个物镜收集，物镜的作用是将同轴cvb光束进行发散(图中coaxialcvbs为经过物镜之后的同轴cvb光束的示意图)，然后由与之前相同的涡旋玻片(vwp)解复用，每一阶需要一个涡旋玻片，±2和±3阶则需要两个涡旋玻片(图中仅仅是示意图)，同一阶的还需要偏振分束器pbs(图中未显示)进一步分离。然后通过聚焦透镜(lens)将光束聚焦到ccd，由ccd进行偏振状态的图像观测。此外，还可以将光束传输到与单模光纤连接的光功率计中以测量误比特率ber，图中未示出。另外，还可以将解复用之后的光束传输给可变光衰减器(voa)用于观察不同光束强度下ber的变化，还可以采用edfa将光束进行大，然后由带通滤波器(bpf)滤除基本噪声，然后通过光电探测器(pd)转换成电信号，用于可编程误差检测器(ped)。

通过实验发现，±2和±3阶cvb的插入损耗分别为8.27db，8.19db，9.91db，9.88db。使用截止方法分别检测空心pcf中±2和±3阶cvb的传播损耗为0.72db/m，0.59db/m。±1，±4阶cvb的插入损耗测量为7.15db，7.36db，12.14db，12.52db。插入损耗包括耦合损耗和传播损失。

如图6所示，为一个实施例中在pcf中传输cvb光束的实验装置示意图。将波长为1550nm的激光束通过单模光纤(smf)被准直器(col)准直，然后通过涡旋玻片(vwp)产生cvb光束，不同的vwp玻片可以用来产生不同的cvb光束(在实验中可以自定义设置)。然后通过物镜(obj)耦合到pcf(光子晶体光纤)中进行传输，为了将激光束与pcf进行对齐，采用五维平移台作为辅助来移动两者的相对位置，使其对准。在pcf中传输之后，通过另一个物镜(obj)收集输出，以便后续进行验证。在一个实施例中，还可以采用分束器将输出的光束分为两束，分别进行图案检测和功率检测。图中，通过偏振控制器(fc)调节光纤扭曲和弯曲诱导双折射，物镜obj对光束收集后传输到vwp(涡旋玻片)进行解复用，这样cvb光束被转换成了高斯形状的光点，然后采用偏振镜polarizer进行光斑的过滤，然后通过聚焦透镜lens聚焦到ccd，然后通过近红外ccd检测输出的cvb光束的偏振状态变化，另外，还可以将解复用的光束耦合到单模光纤传输给光功率计进行功率检测。通过如图6中的实验装置验证了cvb光束可以在pcf中传输。

如图7所示，在一个实施例中，提出了一种基于柱矢量光束(cvb)的通信复用方法，应用于通信复用系统，该系统包括：激光器、信息编码模块、分束模块、cvb生成模块、复用模块、光子晶体光纤传输模块；方法包括：

步骤702，激光器将产生的激光束发送给信息编码模块。

步骤704，信息编码模块对激光束进行编码，得到携带有信息的激光束，将携带有信息的激光束发送给分束模块。

步骤706，分束模块将携带有信息的激光束分为多路光束，传输给cvb生成模块。

步骤708，cvb生成模块将多路光束分别转换为不同阶的柱矢量光束，将多路不同阶的柱矢量光束传输给复用模块。

步骤710，复用模块将多路不同阶的柱矢量光束合成同轴柱矢量光束，然后将同轴柱矢量光束传递给光子晶体光纤传输模块。

步骤712，光子晶体光纤传输模块将同轴柱矢量光束聚焦耦合到光子晶体光纤内部进行传输。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。