專利名稱：一種基于光束軌道角動量的自由空間激光通信系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用基于光束軌道角動量的模分復用技術實現Sbits及Sbits以 上數據信息在自由空間傳輸的系統，屬于光學應用技術領域。
背景技術：
多路復用是一種能在同一傳輸媒質中同時傳輸多路信號的技術，它使多個終端能 共享一條高速信道，從而達到節省信道資源、提高通信線路的利用率的目的。如波分復用 (Wavelength-Division Multiplexing, WDM)，是在同一根光纖中同時傳送兩個或兩個以上 不同光波長信號，這樣就可以實現在一條信道同時傳送多路信號。與此類似，我們提出基于光束軌道角動量的模分復用(Mode Division Multiplexing, MDM)，即兩路或兩路以上同波長、不同模式(不同軌道角動量態或其疊加組 合)的螺旋光束在自由空間傳輸，這樣的傳輸光束可以攜帶多位數據信息，大大提高了光 通信系統的信道容量。而螺旋光束的軌道角動量量子數可取區間(_⑴，+⑴)內的任意值， 即理論上利用光束軌道角動量能夠承載無窮維的數據信息，這使得利用激光光束軌道角動 量進行信息傳輸具有重要的研究價值。近年來國外已有一些研究小組搭建了利用軌道角動量進行數據傳輸的光學系統， 通過對光束進行相位或振幅調制實現了數據信息加載(Bouchal Z，Celechovsky R 2004 New J. Phys. 21 1192 ；Gibson G, Courtial J, Padgett M J, Vasnetsov Μ, Pas' ko V, Barnett S Μ, Franke-Arnold S 2004 Opt. Express 12 5448)；在國內，我們實驗室已搭建 了光束軌道角動量態的疊加復用系統(Liu Y D，Gao C Q，Gao M W，Qi X Q, Weber H 2008 Opt. Commun. 281 3636 ；Gao C Q,Qi X Q，Liu Y D,Weber H 2010 Opt. Express. 18 72)，采 用光學干涉儀的方法實現信息的調制。其中，通過改變相位或振幅調制加載信息時，調制速 度受到空間光調制器刷新頻率(一般為幾十赫茲)的限制，而采用干涉儀方法時信息調制 速度直接取決于Dove棱鏡或Porro棱鏡等光學元件的機械旋轉速度，且對光路的調節精度 要求非常高。2007年，Celechovsky等人首次對4個基模高斯光源進行相位調制實現了 4 個軌道角動量態的疊加復用(Celechovsky R, Bouchal Z 2007 New J. Phys. 9328)。但是 該方法采用四個獨立的半導體激光器作為光源，其輸出光束的平行精度難以保證，且受激 光器外形尺寸的限制，此裝置難以進一步增加復用的軌道角動量態數目。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于光束軌道角動量的自由空間激光通信系統。本發明的是由下述技術方案實現的本發明的裝置包括光纖密排激光器、四個凸透鏡、兩個偏振片、空間光調制器、針 孔光闌、擴束系統、復合二元振幅光柵、CCD探測器。所述的光纖密排激光器能夠輸出8路或8路以上相互平行的基模高斯光束，這些 光束在光出射方向的法平面內均勻分布在一個圓周上，且光纖密排激光器能夠進行選通控
3制，可根據待傳數據控制其輸出光束；所述的第一凸透鏡將光纖密排激光器輸出的所有光 束會聚；所述的空間光調制器位于第一凸透鏡的后焦平面上，同時也位于第二凸透鏡的前 焦平面上；第一偏振片和第二偏振片分別置于空間光調制器的入射光和透射光光路上，用 以控制光的偏振態，達到最好的相位調制；所述針孔光闌位于第二凸透鏡的后焦平面上，同 時也位于第三凸透鏡的前焦平面上，用以濾出攜帶信息的中心衍射光束；所述第三凸透鏡 將攜帶信息的光束準直發射出去，其與接收擴束系統之間為光束的自由空間傳輸鏈路；所 述的擴束系統用于縮小接收到的光束半徑；所述的復合二元振幅光柵置于第四凸透鏡的前 焦平面上，對傳輸光束的軌道角動量進行檢測；所述CCD探測器位于第四凸透鏡的后焦平 面上，用以檢測最終測量結果。本發明提供的基于光束軌道角動量的自由空間激光通信系統由三個功能塊組成， 具體如下①「實現光纖密排激光器的選通控制具體步驟為對構成光纖密排激光器的每個激光器實行獨立供電，通過控制各電 源的開關就能夠實現光纖密排激光器中各激光器的通斷，且各激光器的通斷相互獨立。②「對光束進行相位調制，實現基于光束軌道角動量的模分復用技術具體步驟為光纖密排激光器輸出基模高斯光束經凸透鏡會聚后入射到空間光調 制器上，空間光調制器上加載的相位調制函數對各個光束進行相位調制，以生成螺旋光束 并使各光束在遠場衍射場中分別有不同的衍射級位于系統中心軸上，從而實現了不同軌道 角動量態螺旋光束的同軸疊加，即實現了光束軌道角動量的模分復用和信息調制編碼。③「探測通信鏈路中傳輸光束的軌道角動量態，實現信息解調具體步驟為通信鏈路上的傳輸光束包含多路互不相干且軌道角動量態各不相同 的螺旋光束，該光束入射到復合二元振幅光柵上后，其遠場衍射場在與光束的軌道角動量 態相對應的衍射級上將出現亮斑，根據亮斑出現的位置和復合二元振幅光柵的中心位錯情況 便可確定出通信鏈路中傳輸光束的軌道角動量態，進而確定出通信鏈路上傳輸的數據信息。本發明的有益效果①采用光纖密排激光器作為系統光源陣列，各光源間距小且輸出光束平行性好；②該系統通過電驅動信號控制光纖密排激光器中各光源的通斷以實現待傳數據 信息的調制加載，這種基于軌道角動量的模分復用技術，不需要不斷變換空間光調制器上 的調制光柵，避免了空間光調制器刷新頻率對系統數據調制速度的限制。
圖1是本發明的原理圖；圖中，1-光纖密排激光器，2-第一凸透鏡，3-第一偏振 片，4-空間光調制器，5-第二偏振片，6-第二凸透鏡，7-針孔光闌，8-第三凸透鏡，9-擴束 系統，10-復合二元振幅光柵，11-第四凸透鏡，12-CXD探測器。圖2是光纖密排激光器的出光處光軸法向截面圖；圖3是實現Sbits數據信息傳輸時數據調制原理具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。
如圖1所示，本發明裝置包括光纖密排激光器(1)、第一凸透鏡(2)、第一偏振片 (3)、空間光調制器(4)、第二偏振片(5)、第二凸透鏡(6)、針孔光闌(7)、第三凸透鏡(8)、 擴束系統(9)、復合二元振幅光柵(10)、第四凸透鏡(11)、CCD探測器(12)。可選通控制的 光纖密排激光器(1)能夠輸出8路或8路以上相互平行的基模高斯光束，這些光束在光出 射方向的法平面內均勻分布在一個圓周上，如圖2為一種8路光束輸出的光纖密排激光器 出光處光軸法向截面圖，包括出光尾纖(13)、陶瓷插芯(14)和填充物(15)，其中出光尾纖 (13)直徑為0. 125mm，固定尾纖的陶瓷插芯(14)直徑為1mm，尾纖纖芯中心構成的圓周直 徑為8mm ；系統工作時可根據通信系統待傳輸數據控制光纖密排激光器(1)的輸出光束；光 纖密排激光器(1)的出射光束經第一凸透鏡(2)會聚并傳輸經過第一偏振片(3)后入射到 空間光調制器(4)上；設計相位調制函數并加載到空間光調制器(4)上，使得入射到空間光 調制器(4)上的各個光束分別有不同的衍射級位于系統中心軸上，構成一個攜帶光纖密排 激光器(1)選通信息的中心衍射光束，該過程可如圖3所示；經空間光調制器(4)后的衍射 光場傳輸經過第二偏振片(5)并由第二凸透鏡(6)作光場傅立葉變換，得到遠場衍射光場； 之后傳輸經過針孔光闌(7)濾出攜帶信息的中心衍射光束，經由第三凸透鏡(8)準直后發 射出去，完成數據信息的調制發射。之后，光束在自由空間通信鏈路上進行傳輸，并最終到 達數據接收端。在數據接收端，首先利用擴束系統(9)縮小接收到的光束半徑；之后光束 入射到復合二元振幅光柵(10)上，由于該光束包含了互不相干的多路不同軌道角動量態 的螺旋光束，此處采用復合二元振幅光柵(10)探測傳輸光束的軌道角動量；經第四凸透鏡 (11)對傳輸經過復合二元振幅光柵(10)的衍射光場作傅立葉變換，并用CCD探測器(12) 監測遠場衍射圖樣，根據遠場衍射圖樣中亮斑出現的位置以及所用衍射光柵的中心位錯情 況，可以推算出傳輸光束的軌道角動量態，完成對通信系統傳輸數據的解調。圖3為實現Sbits數據信息傳輸時數據調制加載原理圖。通過設計相位調制函 數，能夠實現基模高斯光束變換到攜帶軌道角動量的螺旋光束，如圖3中基模高斯光束(a) 經相位調制板(b)后衍射場光強分布為(c) ； (c)中的每個衍射級位置對應光纖密排激光器 (1)的各個出光位置，如圖(d)；對圖(d)中光纖密排激光器(1)的各個出射光束準直會聚 后入射到設計好的相位調制板(f)上，圖3中(f)與(d)為相同的調制板；對應的遠場衍射 場如圖3(g)所示，虛線圈內的衍射級上將攜帶光源陣列中每一個光源的一個衍射級且軌 道角動量態互不相同；系統工作時可根據待傳輸數據驅動光纖密排激光器(1)實現傳輸數 據的加載；濾出圖3(g)中虛線框內的衍射光束并發射出去，便完成了數據信息的調制。
權利要求
一種基于光束軌道角動量的自由空間激光通信系統裝置，包括光纖密排激光器(1)、第一凸透鏡(2)、第一偏振片(3)、空間光調制器(4)、第二偏振片(5)、第二凸透鏡(6)、針孔光闌(7)、第三凸透鏡(8)、擴束系統(9)、復合二元振幅光柵(10)、第四凸透鏡(11)、CCD探測器(12)，其特征在于光纖密排激光器(1)能夠輸出8路或8路以上相互平行的基模高斯光束，這些光束在光出射方向的法平面內均勻分布在一個圓周上，且光纖密排激光器能夠進行選通控制，可根據待傳數據控制其輸出光束；第一凸透鏡(2)將光纖密排激光器(1)輸出的所有光束會聚；空間光調制器(4)位于第一凸透鏡(2)的后焦平面上，同時也位于第二凸透鏡(6)的前焦平面上；第一偏振片(3)和第二偏振片(5)分別置于空間光調制器的入射光和透射光光路上，用以控制光的偏振態，達到最好的相位調制；針孔光闌(7)位于第二凸透鏡(6)的后焦平面上，同時也位于第三凸透鏡(8)的前焦平面上，用以濾出攜帶信息的中心衍射光束；第三凸透鏡(8)將攜帶信息的光束準直發射出去，其與接收擴束系統之間為光束的自由空間傳輸鏈路；擴束系統(9)用于縮小接收到的光束半徑；復合二元振幅光柵(10)置于第四凸透鏡(11)的前焦平面上，對傳輸光束的軌道角動量進行檢測；CCD探測器(12)位于第四凸透鏡(11)的后焦平面上，用以檢測最終測量結果。
2.一種基于光束軌道角動量的自由空間激光通信技術，其特征在于①采用可選通控制的光纖密排激光器(1)作為光源，對構成光纖密排激光器(1)的每 個激光器實行獨立供電，通過控制各電源的開關就能夠實現光纖密排激光器中各激光器的 通斷，且各激光器的通斷相互獨立；②對光束進行相位調制，實現基于光束軌道角動量的模分復用技術，具體步驟為光纖 密排激光器(1)輸出的多路基模高斯光束經第一凸透鏡(2)會聚后入射到空間光調制器 (4)上，空間光調制器(4)上加載的相位調制函數對各個光束進行相位調制，以生成螺旋光 束并使各光束在遠場衍射場中分別有不同的衍射級位于系統中心軸上，從而實現了不同軌 道角動量態螺旋光束的同軸疊加，即實現了模分復用技術和信息調制編碼；③探測通信鏈路中傳輸光束的軌道角動量態，實現信息解碼，具體步驟為通信鏈路上 的傳輸光束包含多路互不相干且軌道角量子數各不相同的螺旋光束，該光束入射到復合二 元振幅光柵(10)上后，其遠場衍射場在與光束的軌道角動量態相對應的衍射級上將出現 亮斑，根據亮斑出現的位置和復合二元振幅光柵(10)的中心位錯情況便可確定出通信鏈 路中傳輸光束的軌道角動量態，進而確定出通信鏈路上傳輸的數據信息。
全文摘要
本發明是一種基于光束軌道角動量的自由空間激光通信系統，屬于光學應用技術領域。本發明由光纖密排激光器、四個凸透鏡、兩個偏振片、空間光調制器、針孔光闌、擴束系統、復合二元振幅光柵、CCD探測器組成。本發明以可選通控制的光纖密排激光器作為光源，并根據光纖密排激光器出射光束分布設計了加載到空間光調制器上的相位衍射光柵，對光纖密排激光器出射的各個光束進行相位調制，使得各個光束分別有不同的衍射級位于系統中心軸上，構成一個攜帶光纖密排激光器選通信息的中心衍射光束，系統工作時根據待傳數據對光纖密排激光器進行選通控制實現待傳數據的調制加載；攜帶數據信息的光束在自由空間傳輸一定距離后，在系統接收端利用復合二元振幅光柵探測傳輸光束的軌道角動量態，完成通信系統傳輸數據的解調。
文檔編號H04B10/10GK101902276SQ20101020846
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月24日 優先權日2010年6月24日
發明者張戈, 辛璟燾, 高春清, 齊曉慶 申請人:北京理工大學