軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)，涉及空間光通信技術(shù)。本系統(tǒng)包括偏振分束器（10）、第1分束器（20）、第2分束器（30）、空間光調(diào)制器（40）、光學(xué)混頻器（50）和光電探測器（60）；其連通關(guān)系是：偏振分束器（10）分別與第1分束器（20）和第2分束器（30）連通；第1分束器（20）、空間光調(diào)制器（40）、光學(xué)混頻器（50）和光電探測器（60）依次連通；第2分束器（30）、光學(xué)混頻器（50）和光電探測器（60）依次連通。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明實現(xiàn)了光束中不同OAM信道信息的分離；在一定程度上抑制了湍流的影響，提高了通信系統(tǒng)性能；結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
【專利說明】
軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及空間光通信技術(shù)，尤其涉及一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]軌道角動量(Orbital Angular Momentum，0AM)光束是指其波前包含一個螺旋相位結(jié)構(gòu)的光束，螺旋相位表達(dá)式為exp (ΠΘ)，其中，Θ是角坐標(biāo)，I是方位角指數(shù)，定義為OAM光束的拓?fù)浜蓴?shù)。拓?fù)浜蓴?shù)不同的光場分布也稱為不同的OAM模式。
[0003]近年來關(guān)于OAM光束在光通信中的應(yīng)用的研究開始興起。在光通信中，可以采用不同拓?fù)浜蓴?shù)的OAM光束作為不同的復(fù)用信道傳輸信息。目前研究的主要方向是將OAM光束用于自由空間光通信中，攜帶信息的OAM光在大氣傳播一段距離后到達(dá)接收端。然而OAM光束在大氣中傳播時，會因為湍流大氣中空氣折射率的隨機(jī)起伏出現(xiàn)相位的畸變，對接收到的信息造成干擾，導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)性能下降，往往會導(dǎo)致通信無法進(jìn)行。相位的畸變是導(dǎo)致系統(tǒng)性能劣化的主要因素。為了克服大氣湍流的影響，從光學(xué)領(lǐng)域的角度，當(dāng)前常見的做法是采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對畸變光束進(jìn)行波前矯正，從而提高系統(tǒng)性能。2014年，南加州大學(xué)Yongx1ng Ren等人提出了一套哈特曼自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)來校正波前畸變，他們利用基模高斯光束作為“探針”光束求得波前畸變情況(Ren Y, Xie G, Huang H, et al.Adaptive optics compensat1n of multiple orbital angular momentum beamspropagating through emulated atmospheric turbulence[J].0ptics letters，2014，39(10): 2845-2848)。2015年，Guodong Xie等人提出一種無需探針光束的新方案，利用基于zernike多項式的隨機(jī)并行梯度下降(SPGD)算法來對OAM光束進(jìn)行相位畸變校正(Xie G，Ren Y， Huang H， et al.Phase correct1n for a distorted orbital angularmomentum beam using a Zernike polynomials—based stochastic- paralIel-gradient-descent algorithm[J].0ptics letters, 2015，40(7): 1197-1200) D 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)需要不斷探測光束的波前或光強(qiáng)分布，根據(jù)探測結(jié)果動態(tài)地控制矯正模塊對光束進(jìn)行矯正，雖然確實對通信具有一定的改善效果，但是普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本較高，還難以在實際通信場合中廣泛使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)。本發(fā)明不需要為了進(jìn)行矯正而額外地探測光束的波前或光強(qiáng)分布，也沒有復(fù)雜的矯正模塊，相比現(xiàn)有的自適應(yīng)光學(xué)湍流抑制方案具有結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)成本較低的優(yōu)點(diǎn)，更適合在實際通信場合中廣泛運(yùn)用。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案具體實現(xiàn)如下:
軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))
本系統(tǒng)包括偏振分束器、第I分束器、第2分束器、空間光調(diào)制器、光學(xué)混頻器和光電探測器；
其連通關(guān)系是:
偏振分束器分別與第I分束器和第2分束器連通；
第I分束器、空間光調(diào)制器、光學(xué)混頻器和光電探測器依次連通；
第2分束器、光學(xué)混頻器和光電探測器依次連通。
[0006]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
①實現(xiàn)了光束中不同OAM信道信息的分離；
②在一定程度上抑制了湍流的影響，提高了通信系統(tǒng)性能；
③結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
[0007]
【附圖說明】
[0008]圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；
圖中:
10一偏振分束器；
20—第I分束器；
30—第2分束器；
40—空間光調(diào)制器，
41 一第I空間光調(diào)制器，
42—第2空間光調(diào)制器，
4M—第M空間光調(diào)制器，M是正整數(shù)，I SM <50;
50—光學(xué)混頻器(90°)，
51—第I光學(xué)混頻器，
52—第2光學(xué)混頻器，
5N—第N光學(xué)混頻器，N是正整數(shù)，I < N < 50;
60—光電探測器，
61—第I光電探測器，
62—第2光電探測器，
6P—第P光電探測器，P是正整數(shù)，I SPS 50。
【具體實施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0010]1、總體
如圖1，本系統(tǒng)包括偏振分束器10、第I分束器20、第2分束器30、空間光調(diào)制器40、光學(xué)混頻器50和光電探測器60;
其連通關(guān)系是: 偏振分束器10分別與第I分束器20和第2分束器30連通；
第I分束器20、空間光調(diào)制器40、光學(xué)混頻器50和光電探測器60依次連通；
第2分束器30、光學(xué)混頻器50和光電探測器60依次連通。
2、功能部件(結(jié)構(gòu)和功能)
I)偏振分束器1
偏振分束器10是一種能夠使光束中偏振方向相互正交的兩部分分別射向不同方向的光學(xué)器件。
[0011]其功能是，將接收到的光束c2中偏振方向相互正交的第2探針光束b2與第2信號光束a2分咼。
[0012]2)第I分束器20
第I分束器20是一種將一束光平均分為射向不同方向的多束光的光學(xué)器件。
[0013]其功能是，將第2探針光束b2分為光束e1、e2……eY，Y為正整數(shù)，I^ Y ^ 50。
[0014]3)第2分束器30
第2分束器30是一種將一束光平均分為射向不同方向的多束光的光學(xué)器件。
[0015]其功能是，將第2信號光束a2分為光束dl、d2……dX，X為正整數(shù)，I^ X ^ 50。
[0016]4)空間光調(diào)制器40
空間光調(diào)制器40是一種施加信息量于二維光學(xué)數(shù)據(jù)場的器件，它可以空間地改變二維光場的相位、偏振和強(qiáng)度分布。
[0017]包括第1、2……M空間光調(diào)制器41、42……4M，M是正整數(shù),1 <M<50；
其功能是在光束el、e2……eY的光場分布上附加上不同的螺旋相位因子，每一束光附加的螺旋相位因子等于第I信號光束al中的一束OAM光的螺旋相位因子。
[0018]5)光學(xué)混頻器50
光學(xué)混頻器50是一種將射入混頻器中的兩束光束分成仍由兩束光構(gòu)成的四組光束，并使四組光束中的兩束光的分別具有0°、90°、180°和270°的相位差的光學(xué)器件，一般用于配合光電探測器對光束進(jìn)行相干檢測。
[0019]包括第1、2……N光學(xué)混頻器51、52……5N，N是正整數(shù),1 <N<50；
其功能是，第1、2……N光學(xué)混頻器分別將射入的兩束光束分成有不同相位差的四組光束，用于配合下一步的光電檢測。
[0020]6)光電探測器60
光電探測器60是一種將光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?br> 包括第1、2……P光電探測器61、62……6P，P是正整數(shù)，I SPS50;
其功能是將射入的四組光束轉(zhuǎn)變?yōu)樗穆冯娦盘?，用于解調(diào)信息。
[0021]3、工作機(jī)理
信息發(fā)送端發(fā)射的光束應(yīng)包括一束不經(jīng)調(diào)制的高斯光束(稱為第I探針光束bl)和另一束經(jīng)過多束OAM光復(fù)用而成的光束(稱為第I信號光束al)，光束al中的各路OAM光束都經(jīng)過調(diào)制而攜帶上了信息，光束al與光束bl中的OAM光束的偏振方向正交;光束al和光束bl合束為光束Cl，光束cI由發(fā)射端發(fā)出，經(jīng)過湍流大氣A后到達(dá)接收端，此時光束Cl發(fā)生了畸變，畸變后的光束為c2。
[0022]在接收端，光束c2首先經(jīng)過偏振分束器10，光束中的探針光束與信號光束因偏振不同分為兩路，分離出的探針光束為第2探針光束b2，分離出的信號光束為第2信號光束a2。
[0023]由偏振分束器10分出的第2探針光束b2經(jīng)分束器20分為光束el、e2……eY，分出的光束的數(shù)量與第2信號光束a2中攜帶信息的OAM光束的數(shù)量相同，同時第2信號光束a2也經(jīng)另一分束器30分為dl、d2……dX，分成的光束的數(shù)量也與第2信號光束a2中攜帶信息的OAM光束的數(shù)量相同。
[0024]光束el、e2……eY分別通過第1、2……M空間光調(diào)制器41、42……4M，加載上不同的螺旋相位因子，每一束光附加的螺旋相位因子都分別等于第I信號光束a I中的一束O AM光的螺旋相位因子。
[0025]第2信號光束a2分出的光束dl、d2……dX分別與第2探針光束b2中分出的光束el、e2……eY共同進(jìn)入第1、2……N光學(xué)混頻器51、52……51然后在第1、2……P光電探測器61、62……6P上發(fā)生干涉，產(chǎn)生光電流gl、g2……gW，W為正整數(shù)，I SWS 50。每一路光電流可以解調(diào)得到一個信道中傳輸?shù)男畔ⅰ?br>[0026]光束受到的大氣湍流的影響主要表現(xiàn)為相位的畸變;第I探針光束bl通過湍流大氣后發(fā)生了相位畸變，變?yōu)榈?探針光束b2;第I信號光束al通過湍流大氣后也發(fā)生相位畸變，變?yōu)榈?信號光束a2;因為通過相同的湍流大氣，所以第2探針光束b2相對于第I探針光束bl的相位畸變與第2信號光束a2相對于第I信號光束al的相位畸變相同；在每個光電探測器上，光束dl、d2……dX分別與光束el、e2……eY發(fā)生干涉;在干涉中光束的相位畸變被抵消，干涉形成的電流不受大氣湍流的影響。光束dl、d2……dX的每一束都與第2信號光束a2一樣由不同的OAM光束組成，由于光束el、e2……eY分別加載了不同的螺旋相位因子，而擁有不同螺旋相位因子的場之間具有正交性，所以光束dl中只有包含了與光束el相同的螺旋相位因子的OAM光束能在干涉中產(chǎn)生光電流，而不包含相同的螺旋相位因子的OAM光束則不產(chǎn)生光電流;光束d2、d3……dX與光束e2、e3……eY的干涉過程同理。于是每個探測器上只有一束OAM光束產(chǎn)生的光電流，只攜帶一束OAM光束中的信息，實現(xiàn)了不同信道的信息的分離。
【主權(quán)項】
1.一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)，其特征在于: 包括偏振分束器(10)、第I分束器(20)、第2分束器(30)、空間光調(diào)制器(40)、光學(xué)混頻器(50)和光電探測器(60); 其連通關(guān)系是: 偏振分束器(10)分別與第I分束器(20)和第2分束器(30)連通； 第I分束器(20)、空間光調(diào)制器(40)、光學(xué)混頻器(50)和光電探測器(60)依次連通； 第2分束器(30)、光學(xué)混頻器(50)和光電探測器(60)依次連通。2.按權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)，其特征在于: 所述的偏振分束器(10)是一種能夠使光束中偏振方向相互正交的兩部分分別射向不同方向的光學(xué)器件，將接收到的光束C2中偏振方向相互正交的第2探針光束(b2)與第2信號光束(a2)分離。3.按權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)，其特征在于: 所述的第I分束器(20)是一種將一束光平均分為射向不同方向的多束光的光學(xué)器件，將第2探針光束(b2)分為光束el、e2……eY，Y為正整數(shù)，I < Y < 50。4.按權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)，其特征在于: 所述的第2分束器(30)是一種將一束光平均分為射向不同方向的多束光的光學(xué)器件，將第2信號光束(a2)分為光束dl、d2……dX，X為正整數(shù)，I <X<50。5.按權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)，其特征在于: 所述的空間光調(diào)制器(40)是一種施加信息量于二維光學(xué)數(shù)據(jù)場的器件，它可以空間地改變二維光場的相位、偏振和強(qiáng)度分布； 包括第1、2……M空間光調(diào)制器(41、42……4M)，M是正整數(shù)，I SMS50; 在光束e 1、e2......eY的光場分布上附加上不同的螺旋相位因子，每一束光附加的螺旋相位因子等于第I信號光束(al)中的一束OAM光的螺旋相位因子。6.按權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)，其特征在于: 所述的光學(xué)混頻器(50)是一種將射入混頻器中的兩束光束分成仍由兩束光構(gòu)成的四組光束，并使四組光束中的兩束光的分別具有0°、90°、180°和270°的相位差的光學(xué)器件，一般用于配合光電探測器對光束進(jìn)行相干檢測； 包括第1、2……N光學(xué)混頻器(51、52……5N)，N是正整數(shù)，I SNS50; 第1、2……N光學(xué)混頻器分別將射入的兩束光束分成有不同相位差的四組光束，用于配合下一步的光電檢測。7.按權(quán)利要求1所述的一種軌道角動量空間光通信中抑制大氣湍流影響的系統(tǒng)，其特征在于: 所述的光電探測器(60)是一種將光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷? 包括第1、2……P光電探測器(61、62……6P)，P是正整數(shù)，I SPS50;將射入的四組光束轉(zhuǎn)變?yōu)樗穆冯娦盘枺糜诮庹{(diào)信息。
【文檔編號】H04B10/548GK105827329SQ201610332504
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】楊春勇, 甘雨, 徐創(chuàng), 侯金, 陳少平
【申請人】中南民族大學(xué)