一种使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法及验证装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法及验证装置，该方法包括以下步骤：采用激光器一和激光器二分别产生信号高斯光GDB载波和伴随高斯光GPB载波，并将数据装载到载波上分别形成信号高斯光GDB和伴随高斯光GPB；产生的GDB与GPB经过光分离与合成器后被复用成一束GDB与GPB混合的高斯光HGB；将混合的高斯光HGB照射进螺旋相位板VPP，后经过空分复用器SDM复用成携带光子轨道角动量OAM的复用光；携带光子轨道角动量OAM的复用光经过大气湍流扰动AT模拟信道后，采用光电检测器PD将接收到的带有串扰相位光信号转换为电信号，并在得到的电信号中获取有用信号。本发明专利技术实现降低涡旋信道串扰的方法，提高通信系统的性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法及验证装置


[0001]本专利技术属于信号复用
，具体涉及一种使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法及验证装置。

技术介绍

[0002]复用技术一直被认为是一种提高信道容量和频谱效益的重要办法，其中波长、偏振、时间和频率等物理场都已经被广泛用于单个或多个物理场复用。然而，基于上述物理场复用的信道容量在不久的将来将被消耗完，不再能满足新技术(例如，自动驾驶，大数据，与计算等应用)对更高信道容量的需求。在1992年，Allen课题组发现一种甜甜圈状能量剖面的涡旋光能够携带光子轨道角动量(OAM)，且在光束中心存在一个螺旋相位导致的奇点。这样的螺旋相位可以被表示成一种可旋转的相位因子其中l和分别表示拓扑电荷和方位角相位。由于不同的OAM模式间具有相互正交性，每束光涡旋光携带的OAM信道可被看作为独立的通信信道，且可用于空间复用(SDM)，改进信道容量和频谱效率。此外，由于OAM和其它物理场的相互独立性，这些物理场可同时被用于复用，极大地促进了信道容量和频谱效率的提高。基于OAM复用的技术已经被广泛地应用到光纤光通信和自由空间光通信。
[0003]在2012年，王健课题组实现了一种速率为42.8
×
4Gbit/s的自由空间无线光通信系统，其中，复用了4种OAM模式和采取了一种16进制的正交幅度调制(16
‑
QAM)的高级信号调制方法。在2019年，陈思课题组提出一种实现50种基本径向OAM模式光的复用的方案，其中采用一种环芯结构的光纤作为传输光导和一种简化的多输入多输出(MIMO)技术均衡各种OAM信道。此外，与传统的无线电通信相比，基于OAM复用的涡旋光通信具有较高的信道容量和较高等级的安全性，其已经获得越来越多的关注。然而，涡旋光携带的螺旋相位对自由空间大气湍流扰动(AT)是非常敏感的，且大气湍流扰动能够造成螺旋相位的失真。失真的螺旋相位能够导致OAM模间间串扰，造成传输的OAM模式光能量泄露到其它OAM模式光场中，导致不同的OAM模式间相互串扰，从而降低通信系统的性能。
[0004]为了降低串扰对通信性能的影响，科学家和工程师研究了各种各样的方法。这些方法大体上可分为以下几种类型，它们分别是自适应光补偿法(AO)、MIMO信道均衡法和深度学习(DL)纠正等法。
[0005]在2021年，王等人课题组提出一种用于OAM编码的量子密钥分发系统的相位补偿方法，其通过构建了一种神经卷积网络(CNN)结构，建立湍流扰动和受损相位间的映射关系，预测和纠正受损相位，实现了相位补偿。在2019年，李思课题组提出一种基于2
×
2MIMO均衡的降低湍流扰动方法，采用两种OAM模式(l＝+1和l＝
‑
3)复用，建立速率达40Gbit/s的基站和无人飞行器间OAM信道链路。在2020年，赵等人的课题组提出一种运用AO补偿方法自由空间信道，其采用了波前相位传感器(WFS)、可变形的镜子、波前纠正器(WFC)和控制回路，分别用于检测相位、改变相位、纠正相位和控制光传输路径，实现了度湍流扰动的检测和补偿，降低了AT导致的OAM信道串扰。在2019年，常等人课题组提出一种基于相位回归
(PRA)算法的自适应的相位补偿方法，通过检测到的受损的能量剖面，计算出原始的相位，从而实现降低AT导致的OAM信道串扰。然而，上述采用的CCN方法需要事先建立大量的训练和测试案例，不可避免地增加系统复杂度和训练时间。采用MIMO信道均衡的降低串扰的方法需要额外一个数字信号处理器(DSP)，其算法复杂度是与复用的OAM模式数量成正比，也就意味着系统复杂性随着复用的OAM信道到数量增加而不断提高。
[0006]此外上述的基于AO降低串扰方法可分为两种类型，一种是由WFC和WFS等设备组成的系统不仅仅成本昂贵，而且实施的复杂性很高；另外一种是由PRA算法、纠正器和反馈控制回路等组成的系统，由于受到摄像机(CCD)分辨率的影响，其对OAM信道串扰的抑制和受损相位的补偿时非常有限的。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：大气湍流扰动引起的涡旋光螺旋相位失真，导致了OAM模式信道间的串扰，造成OAM通信系统传输的效率和传输的可靠性，严重限制了OAM复用系统对信道容量和频谱利用率提升的能力，制约了涡旋光通信技术的发展。为了解决上述问题，本专利技术首次提出一种使用伴随涡旋光抵消轨道角动量串扰的方法，其中伴随涡旋光能够产生湍流扰动导致的串扰的共轭相位，其能与信号涡旋光的串扰相位相互抵消，从而降低串扰对系统性能的影响，具有较低的复杂性和较高的经济性，能有效促进自由空间涡旋光通信技术的发展。
[0008]技术方案：一方面，本专利技术公开一种使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法，该方法包括以下步骤：
[0009]采用激光器一和激光器二分别产生信号高斯光GDB载波和伴随高斯光GPB载波，并将数据装载到载波上分别形成信号高斯光GDB和伴随高斯光GPB；
[0010]产生的GDB与GPB经过光分离与合成器后被复用成一束GDB与GPB混合的高斯光HGB；
[0011]将混合的高斯光HGB照射进螺旋相位板VPP，所述螺旋相位板VPP包括n个信道，因此，传输的GPB和GDB分别被调制成n个涡旋伴随光OPB和n个涡旋信号光ODB，后经过空分复用器SDM复用成携带光子轨道角动量OAM的复用光；
[0012]携带光子轨道角动量OAM的复用光经过大气湍流扰动AT模拟信道后，OPB和ODB受到相同的湍流干扰，受损的ODB和OPB变成一系列不同系数的OAM模式串扰组；
[0013]采用光电检测器PD将接收到的带有串扰相位光信号转换为电信号，并在得到的电信号中获取有用信号。
[0014]进一步的，包括：
[0015]所述数据装载到载波上分别形成信号高斯光GDB和伴随高斯光GPB具体包括：
[0016]采用伪随机序列数据发送器产生模拟用户信息的随机串行PRBS序列数据；
[0017]经过串并转换，产生的串行PRBS序列数据被分发具有4比特长度的数据，形成16进制数据，这些16进制数据通过正交幅度调制器QAM分别映射成数字16
‑
QAM信号；
[0018]通过任意波长发生器AWG的调制，产生的数字16
‑
QAM信号被转换成16
‑
QAM模拟信号；
[0019]激光器一产生的信号高斯光GDB载波与AWG产生的模拟信号一起驱动同相正交调制器，使数据装载到载波上形成信号高斯光GDB；
[0020]激光器二产生的信号高斯光GPB载波与AWG产生的模拟信号一起驱动同相正交调制器，使数据装载到载波上形成伴随高斯光GPB。
[0021]进一步的，包括：
[0022]所述信号高斯光GDB表示为：
[0023][0024]伴随高斯光GPB表示为：
[0025][0026]其中，d(t,f
d
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：采用激光器一和激光器二分别产生信号高斯光GDB载波和伴随高斯光GPB载波，并将数据装载到载波上分别形成信号高斯光GDB和伴随高斯光GPB；产生的GDB与GPB经过光分离与合成器后被复用成一束GDB与GPB混合的高斯光HGB；将混合的高斯光HGB照射进螺旋相位板VPP，所述螺旋相位板VPP包括n个信道，因此，传输的GPB和GDB分别被调制成n个涡旋伴随光OPB和n个涡旋信号光ODB，后经过空分复用器SDM复用成携带光子轨道角动量OAM的复用光；携带光子轨道角动量OAM的复用光经过大气湍流扰动AT模拟信道后，OPB和ODB受到相同的湍流干扰，受损的ODB和OPB变成一系列不同系数的OAM模式串扰组；采用光电检测器PD将接收到的带有串扰相位光信号转换为电信号，并在得到的电信号中获取有用信号。2.根据权利要求1所述的使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法，其特征在于，所述数据装载到载波上分别形成信号高斯光GDB和伴随高斯光GPB具体包括：采用伪随机序列数据发送器产生模拟用户信息的随机串行PRBS序列数据；经过串并转换，产生的串行PRBS序列数据被分发具有4比特长度的数据，形成16进制数据，这些16进制数据通过正交幅度调制器QAM分别映射成数字16
‑
QAM信号；通过任意波长发生器AWG的调制，产生的数字16
‑
QAM信号被转换成16
‑
QAM模拟信号；激光器一产生的信号高斯光GDB载波与AWG产生的模拟信号一起驱动同相正交调制器，使数据装载到载波上形成信号高斯光GDB；激光器二产生的信号高斯光GPB载波与AWG产生的模拟信号一起驱动同相正交调制器，使数据装载到载波上形成伴随高斯光GPB。3.根据权利要求2所述的使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法，其特征在于，所述信号高斯光GDB表示为：伴随高斯光GPB表示为：其中，d(t,f
d
)，p(t,f
p
)，f
d
和f
p
分别表示数据信号，伴随光信号，高斯光信号，信号数据的频率和伴随信号的频率；LG表示拉盖尔高斯光，t表示时间分量，x和y分别表示拉盖尔高斯光在x和y坐标轴上的分量。4.根据权利要求3所述的使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法，其特征在于，所述传输的GPB和GDB分别被调制成n个涡旋伴随光OPB和n个涡旋信号光ODB，包括：首先，涡旋伴随光OPB表示为：涡旋信号光ODB表示为：其中，p表示径向模式系数，若p＝0表示基本径向模式；LG表示拉盖尔高斯光；l表示涡旋光的拓扑电荷数。
其次，OPB和ODB携带的OAM模式与VPP的拓扑电荷值保持一致，进而构成l1～l
n
个OAM信道。5.根据权利要求4所述的使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法，其特征在于，所述空分复用器SDM的结构为n
‑
1个光分离器BS级联，具体为：经过l1和l2的信号光输入到光分离器BS1中，其输出与经过l3的信号光输入到光分离器BS2中，直至光分离器BS
n
‑2的输出和经过l
n
的信号光同时输入到光分离器BS
n
‑1中，最后输出复用成携带光子轨道角动量OAM的复用光。6.根据权利要求1所述的使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法，其特征在于，所述大气湍流扰动AT模拟信道表示为：其中，u
x
，u
y
和u
z
分别表示笛卡尔坐标系下的坐标值，ξ
x
和ξ
y
分别表示两个方向上的各相异性坐标值，u
d
和u0分别表示成u
d
＝c(β)/d0和u0＝2π/D0，d0和D0分别表示模型的内、外径直径，c(β)和B(β)分别表示成c(β)＝{B(β)Γ[(5
‑
β)/2]2π/3}
1/(β
‑
5)
和B(β)＝Γ(β
‑
1)cos(πβ/2)/4π2，Γ表示伽马函数，β表示Kolmogorov模型的谱系数，是模型折射结构系数，其表示湍流扰动的强度，越大的值表示湍流扰动的强度越强。7.根据权利要求6所述的使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法，其特征在于，所述受损的ODB和OPB变成一系列不同系数的OAM模式串扰组，表示为：于，所述受损的ODB和OPB变成一系列不同系数的OAM模式串扰组，表示为：其中，m
l
和n
l
分别表示不同受损的ODB和OPB的串扰组中每个OAM模式的复数系数，W(x,y)表示ODB和OPB受AT干扰形成的串扰模式组，或者在理论上，由于ODB和OPB遭受相同的AT影响，m
l
与n
l
是相等的，如果不考虑高阶径向模式p≥1且几乎所有的光都被接收到，那么8.根据权利要求7所述的使用伴随涡旋光抵消轨道角动量信道串扰的方法，其特征在于，所述采用光电检测器PD将接收到的带有串扰相位光信号转换为电信号，包括：在接收端，采用平方率混合检波法将接收到的光信号转换为电信号，其光电流表示为：I
∝
∫∫[d(t,f
d
)+p(t,f
p
)]
·
W(x,y)
·

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓晖，余永泽，毛帅，邓冬冬，汪洋，顾昊宇，庄立运，季仁东，杨松，何晓凤，王超，魏丹丹，杨玉东，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：