光子轨道角动量模式复用/解复用器的反向设计方法技术

本发明专利技术公开了一种光子轨道角动量模式复用/解复用器的反向设计方法，包括以下步骤：设置若干被自由空间分隔的相位板，将其中一块相位板，记为L

The reverse design method of photon orbital angular momentum mode multiplexer / demultiplexer

【技术实现步骤摘要】
光子轨道角动量模式复用/解复用器的反向设计方法
本专利技术涉及光通信
，更具体的，涉及一种光子轨道角动量模式复用/解复用器的反向设计方法。
技术介绍
随着现代社会对通信容量需求的不断增长，及对振幅、波长、偏振等传统复用维度的利用逐渐接近极限，如何利用空间这一尚未被充分利用的复用维度，即空分复用技术，近年来受到越来越多研究者的瞩目。其中，对携带光子轨道角动量(OAM,orbitalangularmomentum)的涡旋模式进行复用是重要研究方向之一。模式复用/解复用器件是模分复用通信系统中的核心器件。已有研究证实一系列被自由空间分隔的相位板可以实现任意的幺正变换，因此相位板可以简单并且高效地实现模式复用/解复用。解析方法或反向设计方法均可用于设计相位板。解析方法如依据对数-极坐标变换或螺旋变换理论，设计具有坐标变换功能的相位板。反向设计方法如采用波前匹配法或最速下降法等数值算法优化相位板的相位分布。基于波前匹配法的反向设计是通过在每一相位板所在平面，修正正向传播的输入模式fi和逆向传播的输出模式bi之间的相位失配，使模式重叠度最大化实现的。优化过程逐个平面反复进行，直至收敛。对每一平面所作的修正可通过每一组输入输出模式的重叠函数求得，第k个平面上的第i组输入输出模式的重叠函数定义为：其中Φk为第k个平面的相位分布。相位板的修正项为平面上所有模式平均重叠函数的辐角，即其中φi是重叠函数oki的平均相位。波前匹配法仅能使输入和输出模式尽可能匹配，即最大化输入和输出模式的重叠积分，不存在目标函数。基于最速下降法的反向设计是以所得模式和目标模式的模式重叠度设为目标函数，沿梯度方向迭代相位板的相移分布实现的。模式重叠度定义为所得模式和目标模式的重叠积分。设所得光场为uz，目标光场为ug，模式重叠度y在离散化情形下的表示为：对于数值计算时的离散化情形，模式重叠度的自变量为每块相位板上每格像素的相移值，即其中N为相位板个数，N为单个相位板的像素个数。代表第p个平面上，第q个像素点的相移值。为了应用最速下降法，需要求出目标函数关于自变量的解析表达式。光场在整个器件内的传播可分解为若干个相位板的作用和自由空间传播。自由空间传播用角谱分解法计算，相位板对光场的作用和光场在自由空间的传播可分别表示为其中φ为相位板的相位分布；为矩阵的Hadamard积(矩阵对应元素乘积)；F和F-1分别表示二维离散傅立叶变换和逆变换；H(z)为传递函数离散化的矩阵，z表示传播距离。因此光场在整个器件内的传播可以表示为：由上式可见，重叠积分是相移值的可微函数，使用最速下降法进行反向设计是可行的。但是反向设计过程操控极大的自由度，迭代过程极易陷于局部最优解，因此初始条件、相位板间距等参数及迭代方式需要精心选择。
技术实现思路
本专利技术为了解决在自由度极高的情况下，一般的反向设计算法易于陷入局部最优的问题，提供了一种光子轨道角动量模式复用/解复用器的反向设计方法，其有效克服迭代过程陷入局部最优，得到高性能、大带宽的OAM模式复用/解复用器。为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：一种光子轨道角动量模式复用/解复用器的反向设计方法，所述的反向设计方法包括以下步骤：S1：设置若干被自由空间分隔的相位板，将其中一块相位板，记为Le，并将其固定为椭圆透镜的等效形式，即其中：k为入射光波波矢，fx表示椭圆透镜的长轴焦距，fy表示椭圆透镜的短轴焦距；S2：计算输出高斯模式逆向传播至Le，并经过Le相位调制时形成的倾斜平面波模式，对第一个相位板，记为L1，至Le使用由OAM模式到倾斜平面波模式的波前匹配法进行优化，采用波前匹配法迭代至相邻两次迭代平均模式转换效率之差小于ε1时停止；S3：释放对被固定为椭圆透镜的相位板的限制，对所有相位板使用由OAM模式到高斯模式的波前匹配法优化，采用波前匹配法迭代至相邻两次迭代平均模式转换效率之差小于ε2时停止；S4：以所有相位板每一像素的相移值φi作为参数，相邻阶串扰的加权平均作为目标函数，通过最速下降法最小化目标函数，使最小化，最速下降法迭代至相邻阶最大串扰小于等于非相邻阶最大串扰时停止。优选地，所述的相位板的个数为4，从左到右分别为第一相位板、第二相位板、第三相位板、第四相位板，其中第三相位板在S1步骤中被固定为椭圆透镜的等效形式。进一步地，步骤S3中所述的高斯模式的束腰半径为5μm，不同阶OAM模式解复用所得的高斯模式间距为127μm，以匹配标准一维单模光纤阵列。再进一步地，设置相邻的两个所述的相位板之间的间距小于5mm。再进一步地，所述的相位板由衍射光学元件构成，或所述的相位板由超构表面的相位调制元件构成。再进一步地，所述的ε1为0.00001，ε2为0.00001。本专利技术的有益效果如下：本专利技术依据螺旋变换理论分步优化相位板的相位分布:首先优化由涡旋模式到倾斜平面波模式的变换，进而优化到高斯模式的变换，并采用最速下降法进一步降低串扰。本专利技术可以有效克服迭代过程陷入局部最优，得到高性能、大带宽的OAM模式复用/解复用器。附图说明图1是实施例1所述反向设计方法的步骤流程图。图2是实施例1光束在相位板中传播的示意图。图3是实施例1所述4个相位板通过该反向设计方法得到的器件结构。其中，图3中像素的颜色深浅代表相移值。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做详细描述。实施例1如图1所示，一种光子轨道角动量模式复用/解复用器的反向设计方法，所述的反向设计方法包括以下步骤：S1：设置若干被自由空间分隔的相位板，将其中一块相位板，记为Le，并将其固定为椭圆透镜的等效形式，即其中：k为入射光波波矢，fx表示椭圆透镜的长轴焦距，fy表示椭圆透镜的短轴焦距；将相位板的相位分布初始化为的均匀分布形式。S2：计算输出高斯模式逆向传播至Le，并经过Le相位调制时形成的倾斜平面波模式，对第一个相位板，记为L1，至Le使用由OAM模式到倾斜平面波模式的波前匹配法进行优化，即L1至Le逐个相位板迭代，使正向传播的OAM模式与逆向传播的倾斜平面波模式的相位在各个相位板上匹配。采用波前匹配法迭代至相邻两次迭代平均模式转换效率之差小于ε1＝0.00001时停止；将其中一块相位板被固定为椭圆透镜的等效形式，对其余相位板的相位分布采用波前匹配法优化，直至收敛。S3：释放对被固定为椭圆透镜的相位板的限制，对所有相位板使用由OAM模式到高斯模式的波前匹配法优化，即逐个相位板迭代，使正向传播的OAM模式与逆向传播的高斯模式的相位在各个相位板上匹配，采用波前匹配法迭代至相邻两次迭代平均模式转换效率之差小于ε2＝0.00001时停止；在步骤S1、S2所得相位分布的基础上，对所有相位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光子轨道角动量模式复用/解复用器的反向设计方法，其特征在于：所述的反向设计方法包括以下步骤：/nS1：设置若干被自由空间分隔的相位板，将其中一块相位板，记为L

【技术特征摘要】
1.一种光子轨道角动量模式复用/解复用器的反向设计方法，其特征在于：所述的反向设计方法包括以下步骤：
S1：设置若干被自由空间分隔的相位板，将其中一块相位板，记为Le，并将其固定为椭圆透镜的等效形式，即



其中：k为入射光波波矢，fx表示椭圆透镜的长轴焦距，fy表示椭圆透镜的短轴焦距；
S2：计算输出高斯模式逆向传播至Le，并经过Le相位调制时形成的倾斜平面波模式，对第一个相位板，记为L1，至Le使用由OAM模式到倾斜平面波模式的波前匹配法进行优化，采用波前匹配法迭代至相邻两次迭代平均模式转换效率之差小于ε1时停止；
S3：释放对被固定为椭圆透镜的相位板的限制，对所有相位板使用由OAM模式到高斯模式的波前匹配法优化，采用波前匹配法迭代至相邻两次迭代平均模式转换效率之差小于ε2时停止；
S4：以所有相位板每一像素的相移值φi作为参数，相邻阶串扰的加权平均作为目标函数，通过最速下降法最小化目标函数，使最小化，最速下降法迭代至相邻阶最大串扰小于等于非相邻阶最大串扰时停止。


2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钰杰，林中政，闻远辉，余思远，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44