基于几何光学变换的OAM信道提取与添加系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于几何光学变换的OAM信道提取与添加系统及方法，所述系统通过结合基于线性光学几何变换的模式转换器、傅里叶透镜和可编程空间光调制器同时实现多路OAM光束的提取与添加。在可编程空间光调制器的右边加入一个对称的模式转换器，再根据要求编程控制空间光调制器每个小区域的透射或反射，即可实现多路OAM信道的提取、添加。本发明专利技术基于OAM光束模式变换的基础上结合可编程空间光调制器，可以实现OAM信道的提取和添加。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于几何光学变换的OAM信道提取与添加系统及方法
本专利技术是基于几何光学变换的正向应用和反向应用并结合透镜聚焦的方法，实现部分OAM信道的提取或OAM信道的增加。
技术介绍
对于携带不同拓扑荷的OAM(轨道角动量)光束相互正交，并且从理论上来说拓扑荷的取值可以是无限的。将OAM光束作为载波的光通信应用方案被提出后，光通信系统的传输能力得到了极大的提升。但是对于OAM通信系统的操作，仅仅是点到点的应用，不涉及任何中间网络节点的处理，大大的限制了OAM通信系统的扩展性。在最近几十年，携带轨道角动量(OAM)的光束是一个很热的研究热点，其广泛应用在量子信息、光通信等各个方面。OAM光束的螺旋相位结构由exp(-ilθ)表述，其中θ指的是角度坐标，整数l指的是方位指数，代表的是OAM光的拓扑荷。对于携带不同拓扑荷的OAM光束，彼此之间是相互正交的。这种特性使得多个OAM信道可以高效的复用和解复用。在不增加频谱带宽的情况下，大大的增加了光通信系统的频谱效率和信息传输能力。对于大部分的OAM的复用通信系统还只是静态的点到点系统，即发送端发送的复合OAM光束直接经过信道传输，并在接收端解复用，在传输过程中不涉及任何的OAM光束操作。因此这种点到点的光通信网络不具备在网络中某一节点实现OAM信道的光分插复用功能，这极大的限制了OAM光通信网络的扩展性和可用性。目前，针对这个问题，有人提出了一种基于液晶空间光调制器和相位光栅两种光学元件实现OAM信道可重构分插复用方案，这很好的增强了系统的可扩展性。但是这种方案一次性只能实现一个OAM信道的提取或添加，还远远满足不了OAM光通信系统的性能要求。针对这个问题，可以展望，如果提出了一种可以同时实现多路OAM信道的提取或添加的方案，将会很好的完善OAM光通信复用系统。
技术实现思路
为了解决现有技术中问题，本专利技术基于OAM光束模式变换的基础上结合可编程空间光调制器，可以实现多路OAM信道的提取和添加。本专利技术通过结合基于线性光学几何变换的模式转换器、傅里叶透镜和空间光调制器可以同时实现多路OAM光束的提取与添加。本专利技术包含了一个直角坐标到对数-极坐标的几何光学变换和一个相反的几何光学变换。对于直角坐标到对数-极坐标的光学几何变换，该几何变换可以由两个纯相位衍射光学元件实现。第一个纯相位衍射光学元件实现了输入平面上点(x,y)位置到输出平面点位置(u,v)的映射，其中v＝aarctan(y/x)。其相位函数可表示为其中，λ是入射波的波长，f是傅里叶透镜的焦距，参数a和参数b分别决定着变换后光束的长度和位置，这里d是变换后光束的长度。根据想要得到的变换后光束的位置，来调整b的取值，b通常取1mm，根据需要在1mm上下进行取值。第二个纯相位衍射光学元件实现的是对变换后的光束进行相位纠正，它的相位函数可表示为通过两个纯相位衍射光学元件的几何变形与相位纠正，将带有方向相位梯度的OAM光束变换为带有横向相位梯度的矩形平面波。接着在第二个纯相位衍射光学元件的后面放置一个焦距为f2的第一傅里叶透镜，其中第一傅里叶透镜与第二个相位衍射元件的距离为f2。这个第一傅里叶透镜聚焦带有不同横向相位梯度的矩形平面波到定的横向位置的狭长光斑，每个狭长光斑对应的位置与OAM光束带有的拓扑荷成一定的比例关系，可描述为这样，携带不同的拓扑荷l的OAM光束经几何变换以及聚焦后，会在第一傅里叶透镜的焦平面上的不同位置呈现横向的狭长光斑。对于上述元件组成的光学系统，如果反向使用的话，可以实现将不同横向位置的狭长光斑变换成带有相应拓扑荷的OAM光束。假设在第一傅里叶透镜的后焦平面放置一个平面反射镜，狭长的光斑将会被反射回原来的光学系统。反射的狭长光斑首先经过第一傅里叶透镜，在第一傅里叶透镜的前焦平面会恢复成带有横向相位梯度的矩形平面波。接着第二相位衍射元件将带有不同横向相位梯度的矩形平面波变换成带有方向相位梯度的圆环，并且在经过第一相位衍射元件后，相位得到纠正。这样狭长的光斑就可恢复成OAM光束，并且恢复的OAM光束拓扑荷大小和正负由狭长光斑在透镜后焦平面的位置所决定。但值得注意的是，狭长光斑经过了平面镜的反射后，在透镜的后焦平面恢复的光场被翻转。从光场的相位来看，横向相位梯度被上下翻转，这就导致了恢复出的OAM光束的拓扑荷和输入OAM光束的拓扑荷相反。为了在输入端分离输入的OAM光束与恢复的OAM光束，在输入端加入了一个第一分束器。既实现了光束的分离，同时也因为恢复的OAM光束经过反射，使其带有的拓扑荷和输入OAM光束的拓扑荷相同。在本专利技术中，在第一傅里叶透镜后焦平面我们放置的是可编程空间光调制器。该可编程空间光调制器沿着y方向被划分为很多矩形小区域，矩形小区域的划分标准是每个特定小区域要包含由带有相应拓扑荷的OAM光束经系统变换成的光斑所在的区域。该可编程空间光调制器划分的每个小矩形区域都可以被编程控制是反射光束还是衍射光束。本专利技术中，我们在可编程空间光调制器的右边加入一个对称的模式转换器，再根据要求编程控制空间光调制器每个小区域的透射或反射，即可实现多路OAM信道的提取、添加。OAM信道的提取在第一分束器的a端口输入复合的OAM光束，经过第一模式转换器及第一傅里叶透镜聚焦后，会在后焦平面得到一系列横向的平行的狭长光斑，且这些光斑间隔满足方程(3)。我们可以通过PC编程控制空间光调制器上一个或多个指定的区域透射光束，剩下的区域反射光束。对于反射的光束，经过第一模式转换器的反向作用，在第一分束器的b端口恢复出原有的输入OAM光束。对于透射的光束，在经过第二模式转换器的反向作用后，会在第二分束器的d端口输出要提取的OAM光束。这便实现了OAM信道的提取。OAM信道的添加在第二分束器的c端口输入要添加的一个或多个OAM信道，经第二个模式转换器变换及透镜聚焦后，会在空间光调制器的相应位置上呈现出狭长光斑，通过编程控制空间光调制器上对应的区域投射光束。原有OAM复合信道经过第一个模式转换器变换和透镜聚焦后在空间光调制器相应的位置上呈现狭长的光斑，这里通过编程控制指定的区域反射光束。这样，混合的光斑反向经过第一个模式转换器及第一分束器后，即可在第一分束器的b端口实现在原有OAM信道的基础上添加信道的功能。本专利技术的有益效果是：本专利技术中，我们在可编程空间光调制器的右边加入一个对称的模式转换器，再根据要求编程控制空间光调制器每个小区域的透射或反射，即可实现多路OAM信道的提取、添加。对于携带不同拓扑荷的OAM光束相互正交，并且从理论上来说拓扑荷的取值可以是无限的。将OAM光束作为载波的光通信应用方案被提出后，光通信系统的传输能力得到了极大的提升。但是对于OAM通信系统的操作，仅仅是点到点的应用，不涉及任何中间网络节点的处理，大大的限制了OAM通信系统的扩展性。本专利技术基于OAM光束模式变换的基础上结合可编程空间光调制器，可以实现OAM信道的提取和添加。附图说明图1OAM信道添加与提取的系统示意图；图2实现OAM信道提取时在第一分束器的a端口的输入的l＝3,8的复合OAM光强图；图3实现OAM信道提取时在第二分束器的d端口的提取的l＝3的复合OAM光强图；图4实现OAM信道提取时在第一分束器的b端口的输出的剩余的l＝8的OAM光强本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于几何光学变换的OAM信道提取与添加系统，其特征在于：所述系统通过结合基于线性光学几何变换的模式转换器、傅里叶透镜和可编程空间光调制器同时实现多路OAM光束的提取与添加，所述系统包含了一个直角坐标到对数‑极坐标的几何光学变换和一个相反的几何光学变换；对于直角坐标到对数‑极坐标的光学几何变换，该几何变换由模式转换器中的两个纯相位衍射光学元件实现，第一个纯相位衍射光学元件实现了输入平面上点(x,y)位置到输出平面点位置(u,v)的映射，其中

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种基于几何光学变换的OAM信道提取与添加系统，其特征在于：所述系统通过结合基于线性光学几何变换的模式转换器、傅里叶透镜和可编程空间光调制器同时实现多路OAM光束的提取与添加，所述系统包含了一个直角坐标到对数-极坐标的几何光学变换和一个相反的几何光学变换；对于直角坐标到对数-极坐标的光学几何变换，该几何变换由模式转换器中的两个纯相位衍射光学元件实现，第一个纯相位衍射光学元件实现了输入平面上点(x,y)位置到输出平面点位置(u,v)的映射，其中v＝aarctan(y/x)，其相位函数表示为其中，λ是入射波的波长，f是傅里叶透镜的焦距，参数a和参数b分别决定着变换后光束的长度和位置，这里d是变换后光束的长度，第二个纯相位衍射光学元件实现的是对变换后的光束进行相位纠正，它的相位函数表示为通过两个纯相位衍射光学元件的几何变形与相位纠正，将带有方向相位梯度的OAM光束变换为带有横向相位梯度的矩形平面波；接着在第二个纯相位衍射光学元件的后面放置一个焦距为f2的傅里叶透镜，其中傅里叶透镜与第二个纯相位衍射光学元件的距离为f2，这个傅里叶透镜聚焦带有不同横向相位梯度的矩形平面波到特定的横向位置的狭长光斑，每个狭长光斑对应的位置与OAM光束带有的拓扑荷成一定的比例关系，描述为这样，携带不同的拓扑荷l的OAM光束经几何变换以及聚焦后，会在傅里叶透镜的焦平面上的不同位置呈现横向的狭长光斑；在输入端加入一个分束器；在透镜后焦平面设置的是可编程空间光调制器，该可编程空间光调制器沿着y方向被划分为很多矩形小区域；该可编程空间光调制器划分的每个矩形小区域都被编程控制是反射光束还是衍射光束；在可编程空间光调制器的右边加入一个和其左边对称的模式转换器，再根据要求编程控制可编程空间光调制...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈飞，郭忠义，郭凯，周红平，周清峰，冯志康，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44