專利名稱：一種基于光束軌道角動(dòng)量的自由空間激光通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用基于光束軌道角動(dòng)量的模分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)Sbits及Sbits以 上數(shù)據(jù)信息在自由空間傳輸?shù)南到y(tǒng)，屬于光學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多路復(fù)用是一種能在同一傳輸媒質(zhì)中同時(shí)傳輸多路信號的技術(shù)，它使多個(gè)終端能 共享一條高速信道，從而達(dá)到節(jié)省信道資源、提高通信線路的利用率的目的。如波分復(fù)用 (Wavelength-Division Multiplexing, WDM)，是在同一根光纖中同時(shí)傳送兩個(gè)或兩個(gè)以上 不同光波長信號，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在一條信道同時(shí)傳送多路信號。與此類似，我們提出基于光束軌道角動(dòng)量的模分復(fù)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(dòng)量態(tài)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(shù)據(jù)信息，大大提高了光 通信系統(tǒng)的信道容量。而螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)可取區(qū)間(_⑴，+⑴)內(nèi)的任意值， 即理論上利用光束軌道角動(dòng)量能夠承載無窮維的數(shù)據(jù)信息，這使得利用激光光束軌道角動(dòng) 量進(jìn)行信息傳輸具有重要的研究價(jià)值。近年來國外已有一些研究小組搭建了利用軌道角動(dòng)量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)， 通過對光束進(jìn)行相位或振幅調(diào)制實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(nèi)，我們實(shí)驗(yàn)室已搭建 了光束軌道角動(dòng)量態(tài)的疊加復(fù)用系統(tǒng)(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(xué)干涉儀的方法實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)制。其中，通過改變相位或振幅調(diào)制加載信息時(shí)，調(diào)制速 度受到空間光調(diào)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(shí)信息調(diào)制 速度直接取決于Dove棱鏡或Porro棱鏡等光學(xué)元件的機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度，且對光路的調(diào)節(jié)精度 要求非常高。2007年，Celechovsky等人首次對4個(gè)基模高斯光源進(jìn)行相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)了 4 個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài)的疊加復(fù)用(Celechovsky R, Bouchal Z 2007 New J. Phys. 9328)。但是 該方法采用四個(gè)獨(dú)立的半導(dǎo)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(jìn)一步增加復(fù)用的軌道角動(dòng)量態(tài)數(shù)目。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于光束軌道角動(dòng)量的自由空間激光通信系統(tǒng)。本發(fā)明的是由下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的裝置包括光纖密排激光器、四個(gè)凸透鏡、兩個(gè)偏振片、空間光調(diào)制器、針 孔光闌、擴(kuò)束系統(tǒng)、復(fù)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(nèi)均勻分布在一個(gè)圓周上，且光纖密排激光器能夠進(jìn)行選通控
3制，可根據(jù)待傳數(shù)據(jù)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(diào)制器位于第一凸透鏡的后焦平面上，同時(shí)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(diào)制器的入射光和透射光光路上，用 以控制光的偏振態(tài)，達(dá)到最好的相位調(diào)制；所述針孔光闌位于第二凸透鏡的后焦平面上，同 時(shí)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(zhǔn)直發(fā)射出去，其與接收擴(kuò)束系統(tǒng)之間為光束的自由空間傳輸鏈路；所 述的擴(kuò)束系統(tǒng)用于縮小接收到的光束半徑；所述的復(fù)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(dòng)量進(jìn)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(jié)果。本發(fā)明提供的基于光束軌道角動(dòng)量的自由空間激光通信系統(tǒng)由三個(gè)功能塊組成， 具體如下①「實(shí)現(xiàn)光纖密排激光器的選通控制具體步驟為對構(gòu)成光纖密排激光器的每個(gè)激光器實(shí)行獨(dú)立供電，通過控制各電 源的開關(guān)就能夠?qū)崿F(xiàn)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(dú)立。②「對光束進(jìn)行相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)基于光束軌道角動(dòng)量的模分復(fù)用技術(shù)具體步驟為光纖密排激光器輸出基模高斯光束經(jīng)凸透鏡會聚后入射到空間光調(diào) 制器上，空間光調(diào)制器上加載的相位調(diào)制函數(shù)對各個(gè)光束進(jìn)行相位調(diào)制，以生成螺旋光束 并使各光束在遠(yuǎn)場衍射場中分別有不同的衍射級位于系統(tǒng)中心軸上，從而實(shí)現(xiàn)了不同軌道 角動(dòng)量態(tài)螺旋光束的同軸疊加，即實(shí)現(xiàn)了光束軌道角動(dòng)量的模分復(fù)用和信息調(diào)制編碼。③「探測通信鏈路中傳輸光束的軌道角動(dòng)量態(tài)，實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)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(dòng)量態(tài)各不相同 的螺旋光束，該光束入射到復(fù)合二元振幅光柵上后，其遠(yuǎn)場衍射場在與光束的軌道角動(dòng)量 態(tài)相對應(yīng)的衍射級上將出現(xiàn)亮斑，根據(jù)亮斑出現(xiàn)的位置和復(fù)合二元振幅光柵的中心位錯(cuò)情況 便可確定出通信鏈路中傳輸光束的軌道角動(dòng)量態(tài)，進(jìn)而確定出通信鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。本發(fā)明的有益效果①采用光纖密排激光器作為系統(tǒng)光源陣列，各光源間距小且輸出光束平行性好；②該系統(tǒng)通過電驅(qū)動(dòng)信號控制光纖密排激光器中各光源的通斷以實(shí)現(xiàn)待傳數(shù)據(jù) 信息的調(diào)制加載，這種基于軌道角動(dòng)量的模分復(fù)用技術(shù)，不需要不斷變換空間光調(diào)制器上 的調(diào)制光柵，避免了空間光調(diào)制器刷新頻率對系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)制速度的限制。


圖1是本發(fā)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(diào)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(kuò)束 系統(tǒng)，10-復(fù)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(shí)現(xiàn)Sbits數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)制原理具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。
如圖1所示，本發(fā)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(diào)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(kuò)束系統(tǒng)(9)、復(fù)合二元振幅光柵(10)、第四凸透鏡(11)、CCD探測器(12)?？蛇x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(nèi)均勻分布在一個(gè)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(gòu)成的圓周直 徑為8mm ；系統(tǒng)工作時(shí)可根據(jù)通信系統(tǒng)待傳輸數(shù)據(jù)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(jīng)第一凸透鏡(2)會聚并傳輸經(jīng)過第一偏振片(3)后入射到 空間光調(diào)制器(4)上；設(shè)計(jì)相位調(diào)制函數(shù)并加載到空間光調(diào)制器(4)上，使得入射到空間光 調(diào)制器(4)上的各個(gè)光束分別有不同的衍射級位于系統(tǒng)中心軸上，構(gòu)成一個(gè)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(jīng)空間光調(diào)制器(4)后的衍射 光場傳輸經(jīng)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(yuǎn)場衍射光場； 之后傳輸經(jīng)過針孔光闌(7)濾出攜帶信息的中心衍射光束，經(jīng)由第三凸透鏡(8)準(zhǔn)直后發(fā) 射出去，完成數(shù)據(jù)信息的調(diào)制發(fā)射。之后，光束在自由空間通信鏈路上進(jìn)行傳輸，并最終到 達(dá)數(shù)據(jù)接收端。在數(shù)據(jù)接收端，首先利用擴(kuò)束系統(tǒng)(9)縮小接收到的光束半徑；之后光束 入射到復(fù)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(dòng)量態(tài) 的螺旋光束，此處采用復(fù)合二元振幅光柵(10)探測傳輸光束的軌道角動(dòng)量；經(jīng)第四凸透鏡 (11)對傳輸經(jīng)過復(fù)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(jiān)測遠(yuǎn)場衍射圖樣，根據(jù)遠(yuǎn)場衍射圖樣中亮斑出現(xiàn)的位置以及所用衍射光柵的中心位錯(cuò)情 況，可以推算出傳輸光束的軌道角動(dòng)量態(tài)，完成對通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的解調(diào)。圖3為實(shí)現(xiàn)Sbits數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)制加載原理圖。通過設(shè)計(jì)相位調(diào)制函 數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)基模高斯光束變換到攜帶軌道角動(dòng)量的螺旋光束，如圖3中基模高斯光束(a) 經(jīng)相位調(diào)制板(b)后衍射場光強(qiáng)分布為(c) ； (c)中的每個(gè)衍射級位置對應(yīng)光纖密排激光器 (1)的各個(gè)出光位置，如圖(d)；對圖(d)中光纖密排激光器(1)的各個(gè)出射光束準(zhǔn)直會聚 后入射到設(shè)計(jì)好的相位調(diào)制板(f)上，圖3中(f)與(d)為相同的調(diào)制板；對應(yīng)的遠(yuǎn)場衍射 場如圖3(g)所示，虛線圈內(nèi)的衍射級上將攜帶光源陣列中每一個(gè)光源的一個(gè)衍射級且軌 道角動(dòng)量態(tài)互不相同；系統(tǒng)工作時(shí)可根據(jù)待傳輸數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)光纖密排激光器(1)實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù) 據(jù)的加載；濾出圖3(g)中虛線框內(nèi)的衍射光束并發(fā)射出去，便完成了數(shù)據(jù)信息的調(diào)制。
權(quán)利要求
一種基于光束軌道角動(dòng)量的自由空間激光通信系統(tǒng)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(diào)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(kuò)束系統(tǒng)(9)、復(fù)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(nèi)均勻分布在一個(gè)圓周上，且光纖密排激光器能夠進(jìn)行選通控制，可根據(jù)待傳數(shù)據(jù)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(diào)制器(4)位于第一凸透鏡(2)的后焦平面上，同時(shí)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(diào)制器的入射光和透射光光路上，用以控制光的偏振態(tài)，達(dá)到最好的相位調(diào)制；針孔光闌(7)位于第二凸透鏡(6)的后焦平面上，同時(shí)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(zhǔn)直發(fā)射出去，其與接收擴(kuò)束系統(tǒng)之間為光束的自由空間傳輸鏈路；擴(kuò)束系統(tǒng)(9)用于縮小接收到的光束半徑；復(fù)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(dòng)量進(jìn)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(jié)果。
2.一種基于光束軌道角動(dòng)量的自由空間激光通信技術(shù)，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(gòu)成光纖密排激光器(1)的每 個(gè)激光器實(shí)行獨(dú)立供電，通過控制各電源的開關(guān)就能夠?qū)崿F(xiàn)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(dú)立；②對光束進(jìn)行相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)基于光束軌道角動(dòng)量的模分復(fù)用技術(shù)，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(jīng)第一凸透鏡(2)會聚后入射到空間光調(diào)制器 (4)上，空間光調(diào)制器(4)上加載的相位調(diào)制函數(shù)對各個(gè)光束進(jìn)行相位調(diào)制，以生成螺旋光 束并使各光束在遠(yuǎn)場衍射場中分別有不同的衍射級位于系統(tǒng)中心軸上，從而實(shí)現(xiàn)了不同軌 道角動(dòng)量態(tài)螺旋光束的同軸疊加，即實(shí)現(xiàn)了模分復(fù)用技術(shù)和信息調(diào)制編碼；③探測通信鏈路中傳輸光束的軌道角動(dòng)量態(tài)，實(shí)現(xiàn)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(shù)各不相同的螺旋光束，該光束入射到復(fù)合二 元振幅光柵(10)上后，其遠(yuǎn)場衍射場在與光束的軌道角動(dòng)量態(tài)相對應(yīng)的衍射級上將出現(xiàn) 亮斑，根據(jù)亮斑出現(xiàn)的位置和復(fù)合二元振幅光柵(10)的中心位錯(cuò)情況便可確定出通信鏈 路中傳輸光束的軌道角動(dòng)量態(tài)，進(jìn)而確定出通信鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于光束軌道角動(dòng)量的自由空間激光通信系統(tǒng)，屬于光學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由光纖密排激光器、四個(gè)凸透鏡、兩個(gè)偏振片、空間光調(diào)制器、針孔光闌、擴(kuò)束系統(tǒng)、復(fù)合二元振幅光柵、CCD探測器組成。本發(fā)明以可選通控制的光纖密排激光器作為光源，并根據(jù)光纖密排激光器出射光束分布設(shè)計(jì)了加載到空間光調(diào)制器上的相位衍射光柵，對光纖密排激光器出射的各個(gè)光束進(jìn)行相位調(diào)制，使得各個(gè)光束分別有不同的衍射級位于系統(tǒng)中心軸上，構(gòu)成一個(gè)攜帶光纖密排激光器選通信息的中心衍射光束，系統(tǒng)工作時(shí)根據(jù)待傳數(shù)據(jù)對光纖密排激光器進(jìn)行選通控制實(shí)現(xiàn)待傳數(shù)據(jù)的調(diào)制加載；攜帶數(shù)據(jù)信息的光束在自由空間傳輸一定距離后，在系統(tǒng)接收端利用復(fù)合二元振幅光柵探測傳輸光束的軌道角動(dòng)量態(tài)，完成通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的解調(diào)。
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(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者張戈, 辛璟燾, 高春清, 齊曉慶 申請人:北京理工大學(xué)