基于Gerchberg-Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Gerchberg

【技术实现步骤摘要】
基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法


[0001]本专利技术属于无线光通信
，具体为提出了一种基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，并通过使用该方法计算出补偿相位，然后将其通过空间光调制器加载在畸变的传输LG光束上，进而缓解由大气湍流引起的LG光束的畸变和模式间串扰。

技术介绍

[0002]由于数据用户和在线活动的增加，对数据速率和带宽的需求呈指数级增长。自由空间光学通信技术是满足这一需求的一种很有前途的技术。与光纤通信相比，自由空间光学通信技术具有更高的带宽、更小的波束发散度和更高的安全性，且安装简单，通信无需许可证。为了进一步增加无线光链路的信息传输能力，研究学者们提出了多种复用技术，如波分复用、模式划分多路复用、空间划分多路复用等。近年来，涡旋光在自由空间光(free space optical,FSO)通信中的应用引起了人们极大的兴趣。轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)是光的一种特性，与光子波前的螺旋性有关。不像自旋角动量，只有两个状态，光子的OAM态可以取任何整数值。不同OAM态的波束是正交的，这种正交性允许不同用户可以在单独的OAM信道上同时传输信息。并且每个正交信道都可以在自由空间光通信链路的接收端进行完美的滤波和解码。然而，对于无线光通信的应用，涡旋光束的正交性不再保持。大气湍流是无线光通信链路性能退化的主要因素。大气中温度和压力的不均匀扰动都会导致折射率的随机变化。这将进一步引起相位扰动，并导致无线光通信信号的强度波动、光束漂移和光束展宽。对于涡旋光来说，湍流会造成涡旋光本征态能量转移到其他的OAM模式。由此，产生OAM本征态信道衰减和OAM模式间串扰。
[0003]为了缓解湍流对FSO
‑
OAM通信系统的影响，近年来，科研人员提出了自适应光学和Gerchberg
‑
Saxton算法等。前者确实具有良好的相位校正性能，但也存在成本高、安装维护难等缺点。而后者操作简单，成本相对较低。
[0004]到目前为止，由于拉盖尔高斯光束(Laguerre
‑
Gaussian,LG)的复杂强度分布和螺旋相位，如何对其进行校正仍然是一个挑战。为了更好地缓解大气湍流引起的LG光束波前相位畸变，本专利技术在传统的基于Gerchberg
‑
Saxton算法的基础上，提出了一种改进的基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法。在该方法中，将基于Gerchberg
‑
Saxton算法迭代得出类似的大气湍流随机相位，以及探测光束传输前后的光场分布作为基于角谱理论迭代计算部分的输入，再次进行迭代计算，可以更有效得到LG光束的相位掩模分布，并提高LG光束的模式纯度。因此，对于LG光束而言，研究改进的波前相位校正方法，对减缓大气湍流引起的光束畸变和模式间串扰而言具有重大意义。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，将畸变探测光束作为基于Gerchberg
‑
Saxton算
法的涡旋光束波前相位校正方法的输入。通过Gerchberg
‑
Saxton算法和角谱理论，迭代计算出类似大气湍流的随机相位，进而得到校正的补偿的相位。然后将其通过空间光调制器加载在畸变的LG光束上，进而缓解由大气湍流引起的LG光束畸变和模式间串扰。
[0006]本专利技术是通过下述技术方案来实现的。
[0007]基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，包括下述步骤：
[0008]1)采用分步光束传播法，构建基于涡旋光的自适应光学系统传输模型，并采用功率谱反演法模拟大气湍流引起的相位扰动，得到时域上传输距离为z处畸变的传输拉盖尔
‑
高斯(Laguerre
‑
Gaussian,LG)光束的场强分布、时域上传输距离为z处畸变的探测LG光束的场强分布；
[0009]2)利用基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，来缓解由大气湍流引起的涡旋光束模式间串扰；具体地：
[0010]2a)初始化一个模式为m的LG光束，作为传输光束，其在光源处场强分布为初始化一个模式为l的LG光束，作为探测光束，其在光源处场强分布为同时初始化收敛误差Δ、循环次数j、最大循环次数J
max
和标志位i；
[0011]2b)将探测光束和传输光束复用，随后同路径在自由空间中传播；探测光束和传输光束经过大气湍流后，均发生畸变；在时域中，将受湍流影响的探测光束作为初始光束；
[0012]2c)利用快速傅里叶变换，将时域上初始光束的场强分布转换到频域，并用畸变的探测光束在频域上的幅度分布替换初始光束在频域上的幅度分布；
[0013]2d)采用快速傅里叶逆变换，将频域中初始光束的场强分布转换到时域，并提取初始光束的相位分布；
[0014]2e)计算当前算法的误差，若算法满足误差设定条件或者超出设置的循环最大次数时，算法停止，输出满足条件的相位分布；若算法不满足误差设定条件，且循环次数j为标志位i的倍数时，进入步骤2f)；若算法不满足误差设定条件，且循环次数j不为标志位i的倍数时，进入步骤2b)；
[0015]2f)基于光波近场传播的角谱理论，采用菲涅尔衍射积分角谱形式的逆变换，将传输距离为z处的初始光束的场强分布转换至光源处，并采用时域上光源处传输光束的幅度分布替换光源处初始光束的幅度分布；
[0016]2g)基于光波近场传播的角谱理论，采用菲涅尔衍射积分的角谱形式，将光源处初始光束的场强分布转换至传输距离为z处初始光束的场强分布；
[0017]2h)返回步骤2c)，进行迭代计算。
[0018]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
[0019]本专利技术提出了一种基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，该专利技术方法将探测光束传输前后的光场分布作为基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法的唯一输入，然后基于Gerchberg
‑
Saxton算法和角谱理论，通过快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换，迭代计算出补偿的相位掩膜；然后通过空间光调制器加载到畸变的传输光束上，从而缓解大气湍流对传输光束造成的相位畸变以及模式间串扰。
[0020]为了验证所提算法的有效性，对采用该波前相位校正方法的FSO通信系统进行模拟仿真，并计算传输LG光束的模式纯度。仿真结果表明，采用本专利技术方法的LG光束在接收端
的模式纯度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，其特征在于，包括下述步骤：采用分步光束传播法，构建基于涡旋光束的自适应光学系统传输模型，并采用功率谱反演法模拟大气湍流引起的相位扰动，得到时域上传输距离为z处畸变的传输LG光束的场强分布、时域上传输距离为z处畸变的探测LG光束的场强分布；利用基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，来缓解由大气湍流引起的涡旋光束模式间串扰；包括：2a)初始化一个拓扑荷为m的LG光束，作为传输光束；初始化一个拓扑荷为l的LG光束，作为探测光束；同时初始化收敛误差、迭代次数、最大迭代次数和标志位；2b)将探测光束和传输光束复用，同路径在自由空间中传播；探测光束和传输光束经过大气湍流后发生相位畸变；在时域中，将受湍流影响的探测光束作为初始光束；2c)利用快速傅里叶变换，将时域上初始光束的场强分布转换到频域，并用畸变的探测光束在频域上的幅度分布替换初始光束在频域上的幅度分布；2d)采用快速傅里叶逆变换，将频域中初始光束的场强分布转换到时域，继续用畸变的探测光束的幅度分布替换初始光束的幅度分布，并保留相位；2e)计算当前算法的误差，若算法满足误差设定条件或者超出设置的循环最大次数时，算法停止，输出满足条件的相位分布；若算法不满足误差设定条件，且循环次数j为标志位i的倍数时，进入步骤2f)；若算法不满足误差设定条件，且循环次数j不为标志位i的倍数时，进入步骤2b)；2f)基于光波近场传播的角谱理论，采用菲涅尔衍射积分的角谱形式的逆变换，将传输距离为z处的初始光束的场强分布转换至光源处，并采用时域上光源处探测光束的幅度分布替换光源处初始光束的幅度分布；2g)基于光波近场传播的角谱理论，采用菲涅尔衍射积分的角谱形式，将光源处初始光束的场强分布转换至传输距离为z处初始光束的场强分布；2h)返回步骤2c)，进行下一次迭代计算。2.根据权利要求1所述的一种基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，其特征在于，所述步骤1)中，采用功率谱反演法模拟大气湍流引起的相位扰动，包括：采用修正的von Karman谱作为近似的折射率功率谱；基于折射率功率谱，计算大气湍流引起相位畸变的近似功率谱密度函数；通过快速傅里叶变换得到大气湍流对光束场强造成的相位畸变；通过计算得到的相位屏需要叠加次谐波补偿屏，模拟湍流造成的相位干扰。3.根据权利要求1所述的一种基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，其特征在于，所述步骤2a)中，初始化一个拓扑荷为m的LG光束，作为传输光束，其在光源处场强的时域分布为：其中，ω0是零阶高斯光的束腰半径，k0＝2π/λ为波数，λ为波长，ρ为极坐标系中的半径
坐标，为角坐标；是广义拉盖尔多项式，m为传输光束的拓扑荷，p代表径向模式数；初始化一个拓扑荷为l的LG光束，作为探测光束，其在光源处的场强分布为：式中，l为探测LG光束的拓扑荷，为广义拉盖尔多项式；初始化收敛误差Δ，迭代次数j＝0，最大迭代次数J
max
和标志位i。4.根据权利要求1所述的一种基于Gerchberg
‑
Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，其特征在于，所述步骤2b)中，将探测光束和传输光束在极坐标系下的表示转换为直角坐标系下的表示，分别记为和将探测光束和传输光束进行复用，并在自由空间中进行同轴传播；拓扑荷为m的传输光束经过距离为z的大气湍流传输后发生畸变，畸变的传输光束场强分布记为拓扑荷为l的探测光束经过距离为z的大气湍流传输后发生畸变，畸变的探测光束在时域中的场强分布表示为：式中，f
lt
(x,y,z)为畸变的探测光束在时域上的幅度分布，为畸变的探测光束在时域上的相位分布；将受湍流影响的探测光束作为初始光束将受湍流影响的探测光束作为初始光束将受湍流影响的探测光束作为初始光束式中，|
·...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，李爽，潘宇婷，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：