OAM复用光束动态传输模拟系统技术方案

技术编号:27979454 阅读:24 留言:0更新日期:2021-04-06 14:14
本发明专利技术公开了一种OAM复用光束动态传输模拟系统,涉及涡旋光束在动态大气湍流下的持续传输模拟技术。本系统包括依次连通的光源(10)、调制OAM光束(20)、OAM模式复用(30)、动态大气湍流模拟装置(40)和接收解调装置(50)。与现有技术相比,本发明专利技术具有下列优点和积极效果:①在OAM复用传输系统中引入了一种动态大气湍流模型,可以更加真实地模拟自由空间复用涡旋光束动态传输;②能进一步提升涡旋光通信仿真系统的有效性,针对不同强度地大气湍流,更加科学地分析和设计相应的恢复补偿算法;③在动态大气湍流模型里展开实验有利于推动复用涡旋光通信从实验过渡到工业使用,具有良好的应用前景;④结构简单,易于实现。

【技术实现步骤摘要】
OAM复用光束动态传输模拟系统
本专利技术涉及涡旋光复用光束在动态大气湍流下的持续传输模拟技术,尤其涉及一种OAM复用光束动态传输模拟系统。
技术介绍
光束波前携带空间螺旋相位因子exp(ilφ)的光束称为轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)光束,也称为涡旋光束(VortexBeams),每个光子携带的轨道角动量为lћ,其中φ为方向角,l为拓扑荷数,ћ为OAM的模态值(也称模式值或本征态值)。涡旋光束的相位是连续的,它的波阵面像旋涡一样在传播中保持螺旋向前。随着信息技术的发展,人们对信道容量,传输速率的要求逐渐提高。OAM复用光通信凭借频谱利用率高、安全可靠性高和传输速率高的优势成为了当今研究热点。但是由于自由空间中存在动态大气湍流,系统内部存在工艺缺陷和器件老化,引起涡旋光束相位起伏涡旋光束弥散,导致通信误码率较高。因此,为了分析和设计应对不同强度大气湍流所采用的恢复补偿算法,研究OAM复用光束经过动态大气湍流的持续传输十分重要。为了模拟在大气湍流中传播,基于柯尔莫戈洛夫理论的数值模拟方法被广泛应用于湍流大气中的光传播研究。其中最普遍的静态相位屏生成方法是由McGlamery最先引入的FT方法,但是静态相位屏只能模拟单一时空的大气状态,在OAM复用传输模拟系统中目前还没有相匹配的模型用来模拟自由空间中随时间和风速变化的动态大气湍流。仿真动态演化的大气,需要针对每一个大气表达式随时间横向移动相位屏。为了克服经过大气湍流后产生的波前畸变和态间串扰并恢复原始相位,北京理工大学的高春清团队利用预校正技术,在系统中引入高斯光束作为探针光,并利用GS算法以及SPGD算法进行校正,结果表明在中度及弱湍流下GS算法能够发挥一定的作用,但是面对复杂多变的动态大气湍流效应,单一高斯光束获取的信息结合相位恢复算法并不能完全恢复原始涡旋光空间相位。因此为了采取对应有效的恢复补偿算法,研究复用涡旋光束在动态大气湍流模型下传输,分析传输过程中OAM复用光束受到的持续影响十分重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复用OAM光束动态传输模拟系统,即模拟动态大气湍流下的涡旋光传输,有助于模拟随风速实时改变的动态大气湍流对涡旋光传输的持续影响,并分析和设计各种动态大气湍流中涡旋光传输的恢复补偿算法。本专利技术的目的是这样实现的:本专利技术依照“泰勒冻结湍流理论”,通过利用反射式液晶空间光调制器加载一系列具有相关性的大气湍流相位屏模拟现实生活中随风速逐渐演变的动态大气湍流,在室内模拟复用涡旋光束在动态大气湍流中的持续传输。①在发射端,光源发出的光信号经过光纤耦合器分出两路光信号,两路信号被扩束准直后经由空间光调制器调制相位,得到两束不同拓扑荷值的OAM光束,最后两束光信号经过合束镜合束得到OAM复用光束;②复合光束在自由空间中传输由于动态大气湍流干扰导致涡旋光束波前发生畸变,本系统利用第一反射式液晶空间光调制器加载一系列具有空间相关性随风速逐渐演变的大气湍流相位屏,用于模拟实时改变的动态大气湍流;③在接收端,复合涡旋光束经过第二液晶空间光调制器上的反向相位全息图(若制备涡旋光束的时拓扑荷数为正,此时就为负)可恢复出初始的带有调制格式的脉冲信号光;④随着复用涡旋光束信号的持续传输,第一反射式液晶空间光调制器上加载的一系列湍流屏逐渐演变,接收端接收解调的信号强度也会随之改变,利用强度信息可以检测在动态大气湍流干扰下各相位恢复算法的持续效果。具体地说,本系统包括依次连通的光源10、调制OAM光束20、OAM模式复用30、动态大气湍流模拟装置40和接收解调装置50;所述的光源10选用带调制格式的脉冲信号光;所述的调制OAM光束20包括光纤耦合器21、第1扩束准直镜22、第1空间光调制器23、第2扩束准直镜24和第2空间光调制器25;其连通关系是:光源10和光纤耦合器21依次连通,得到两路相同的光信号B1、B2;光纤耦合器21、第1扩束准直镜22、第1空间光调制器23和合束镜31依次连通,光纤耦合器21、第2扩束准直镜24、第2空间光调制器25和合束镜31依次连通,合束镜31、第1反射式液晶空间光调制器41和控制器42依次连通;所述的OAM模式复用30包括合束镜31;所述的动态大气湍流模拟装置40包括第1反射式液晶空间光调制器41及其控制器42;所述的接收解调装置50包括反射镜51、第2反射式液晶空间光调制器52、透镜53、接收器54和处理器55;其连通关系是:反射镜51、第2反射式液晶空间光调制器52、透镜53、接收器54和控制器55依次连通,将解调用的相位全息图加载到第2反射式液晶空间光调制器52上恢复出原始高斯光束。与现有技术相比,本专利技术具有下列优点和积极效果:①在复用涡旋光束传输模拟系统中引入一种动态大气湍流模型,与静态仿真湍流屏相比,动态模型能用来模拟涡旋光通信持续传输实验,定量分析实时改变的湍流对复用涡旋光束造成的持续影响,能够分析当前补偿技术能够发挥作用所处的湍流强度范围,及时发送新的探针光束或者采取更适配相位恢复算法来补偿涡旋光相位。②引入的动态大气湍流模型能进一步提升涡旋光通信仿真系统的科学性和有效性,更有利于涡旋光通信从仿真过渡到工业使用,无线光通信发展是未来所趋,研究在动态大气湍流下的无线光通信系统具有重要意义,因此该专利具有良好的应用前景。③结构简单,易于实现。附图说明图1是本系统的结构方框图;图2是调制OAM光束20、OAM模式复用30以及动态大气湍流模拟装置40的结构光路图;图3横向风速示意图;图4是动态大气湍流模型产生方法图;图5是动态大气湍流模型节选效果图;图6是接收解调装置50的结构光路图。图中:10—光源;20—调制OAM光束,21—光纤耦合器,22—第1扩束准直镜,23—第1空间光调制器,24—第2扩束准直镜,25—第2空间光调制器;30—OAM模式复用,31—合束镜;40—动态大气湍流模拟装置,41—第1反射式液晶空间光调制器,42—控制器;401、402、403—零1、零2、零3大气湍流相位屏,(零即初始),411、412、413—一1、一2、一3大气湍流相位屏,421、422、423—二1、二2、二3大气湍流相位屏,4m1、4m2、4m3—M1、M2、M3大气湍流相位屏,404、414、424...4m4—第零、一、二...M帧动态大气湍流相位屏;m是自然数,5≤m≤100;M是自然数,五≤M≤一百;50—接收解调装置,51—反射镜,52—第2反射式液晶空间光调制器,53—透镜;54—接收器,55—处理器。音译汉1、OAM:全称OrbitalAngularMomentum,轨道角动量;...

【技术保护点】
1.一种OAM复用光束动态传输模拟系统,其特征在于:/n包括依次连通的光源(10)、调制OAM光束(20)、OAM模式复用(30)、动态大气湍流模拟装置(40)和接收解调装置(50);/n所述的光源(10)选用带调制格式的脉冲信号光;/n所述的调制OAM光束(20)包括光纤耦合器(21)、第1扩束准直镜(22)、第1空间光调制器(23)、第2扩束准直镜(24)和第2空间光调制器(25);其连通关系是:光源(10)和光纤耦合器(21)依次连通,得到两路相同的光信号B1、B2;光纤耦合器(21)、第1扩束准直镜(22)、第1空间光调制器(23)和合束镜(31)依次连通,光纤耦合器(21)、第2扩束准直镜(24)、第2空间光调制器(25)和合束镜(31)依次连通,合束镜(31)、第1反射式液晶空间光调制器(41)和控制器(42)依次连通;/n所述的OAM模式复用(30)包括合束镜(31),将两束不同拓扑荷值涡旋光束D1、D2,经过合束镜(31)得到复合光束E;/n所述的动态大气湍流模拟装置(40)包括第1反射式液晶空间光调制器(41)及其控制器(42);/n所述的接收解调装置(50)包括反射镜(51)、第2反射式液晶空间光调制器(52)、透镜(53)、接收器(54)和处理器(55);其连通关系是:反射镜(51)、第2反射式液晶空间光调制器(52)、透镜(53)、接收器(54)和控制器(55)依次连通,将解调用的相位全息图加载到第2反射式液晶空间光调制器(52)上恢复出原始高斯光束,用接收器(54)接收光强信息并传递给处理器(55)。/n...

【技术特征摘要】
1.一种OAM复用光束动态传输模拟系统,其特征在于:
包括依次连通的光源(10)、调制OAM光束(20)、OAM模式复用(30)、动态大气湍流模拟装置(40)和接收解调装置(50);
所述的光源(10)选用带调制格式的脉冲信号光;
所述的调制OAM光束(20)包括光纤耦合器(21)、第1扩束准直镜(22)、第1空间光调制器(23)、第2扩束准直镜(24)和第2空间光调制器(25);其连通关系是:光源(10)和光纤耦合器(21)依次连通,得到两路相同的光信号B1、B2;光纤耦合器(21)、第1扩束准直镜(22)、第1空间光调制器(23)和合束镜(31)依次连通,光纤耦合器(21)、第2扩束准直镜(24)、第2空间光调制器(25)和合束镜(31)依次连通,合束镜(31)、第1反射式液晶空间光调制器(41)和控制器(42)依次连通;
所述的OAM模式复用(30)包括合束镜(31),将两束不同拓扑荷值涡旋光束D1、D2,经过合束镜(31)得到复合光束E;
所述的动态大气湍流模拟装置(40)包括第1反射式液晶空间光调制器(41)及其控制器(42);
所述的接收解调装置(50)包括反射镜(51)、第2反射式液晶空间光调制器(52)、透镜(53)、接收器(54)和处理器(55);其连通关系是:反射镜(51)、第2反射式液晶空间光调制器(52)、透镜(53)、接收器(54)和控制器(55)依次连通,将解调用的相位全息图加载到第2反射式液晶空间光调制器(52)上恢复出原始高斯光束,用接收器(54)接收光强信息并传递给处理器(55)。


2.按权利要求1所述的涡旋光通信动态传输模拟系统,其特征在于:
所述的动态大气湍流模拟装置(40)中控制器(42)加载的的动态大气湍流模型的生成方法是:
A、采用加入分谐波低频强化的傅里叶数列的方法制作零1、零2、零3大气湍流相位屏(401、402、403),制作时初始大气折射率强度设为10-17m-2/3,为弱大气湍流,相位屏分辨率设为为256×256,针对零1、零2、零3大气湍流相位屏(401、402、403)加权取均值得到第零帧动态大气湍流相位屏(404);
B、横向风以风速vx0第零次扰动三层湍流相位屏,零1、零2、零3大气湍流相位屏(401、402、403)分别受到影响,相位点整体向右平移,计算出扰动平移后的下一状态...

【专利技术属性】
技术研发人员:侯金杨柄涛杨启强杨春勇曹振洲陈少平夏智鹏
申请(专利权)人:中南民族大学
类型:发明
国别省市:湖北;42

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