[發明專利]光子自旋-軌道角動量聯合模式的測量方法及測量系統

有效

• 申請號: 202010010958.4
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111130637B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 陳鈺杰;王柏銘;聞遠輝;余思遠
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H04B10/079
• 分類號: H04B10/079;H04B10/2581
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

本發明公開了一種光子自旋?軌道角動量聯合模式的測量方法及測量系統，其中所述的測量方法包括以下步驟：將待測的帶有自旋?軌道角動量的光場垂直輸入到至(x,y)平面，且光場中心與該平面中心對準；對帶有螺旋波前的左旋圓偏振態入射光引入相位調制Q_L(x,y)，對帶有螺旋波前的右旋圓偏振入射光引入相位調制Q_R(x,y)；帶有不同自旋角動量的光場沿著螺旋線展開并被分離到(u,v)平面上不同位置；對帶有螺旋波前的左旋圓偏振入射光引入補償相位P_L(x,y)，對帶有螺旋波前的右旋圓偏振入射光引入補償相位P_R(x,y)，將經過(u,v)平面的光場匯聚在(m,n)平面不同位置；檢測(m,n)平面的光強分布，從而測量輸入光場的自旋?軌道角動量聯合模式，或解調輸入光場的自旋?軌道角動量聯合模式。

技術領域

本發明涉及光通信技術領域，更具體的，涉及一種光子自旋-軌道角動量聯合模式的測量方法及測量系統。

背景技術

近幾十年來，計算機、互聯網和物聯網等信息技術不斷發展，全球數據呈爆發式增長，這對數據傳輸容量提出巨大挑戰。光通信是數據傳輸的主要方式，利用傳統的復用技術包括時分復用、波分復用、偏振復用和高階調制格式等來提高其傳輸容量已難于滿足需求。

因此空間模分復用成為目前進一步提高通信容量的熱門研究方向。空間模分復用是指光場在信道傳輸時，會產生多個正交空間模式，通過將數據調制到不同的空間模式，在單個信道實現多組數據同時傳輸。在眾多模分復用方案中，基于光子自旋角動量(spinangular momentum,SAM)和軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)聯合的模分復用因其模式特有的對稱性以及與光子角動量的內在關聯而受到廣泛關注，具備進一步大幅度提升數據傳輸容量的潛力。

然而實現基于SAM-OAM模分復用的光通信系統面臨諸多關鍵問題。其中極為關鍵的一個問題就是對SAM-OAM聯合模式實現復用/解復用，即實現不同模式的合束與分離。解調光子自旋和軌道角動量聯合模式需要同時分離帶有不同偏振態和螺旋波前的混合光束。早期OAM模式解復用主要使用全息衍射光柵，級聯的Mach-Zehnder干涉儀等方法，但這些方法存在效率低，實現復雜等問題。

早在2010年，Berkhout G C G等人報道了全新的OAM模式解調方法，他們證明利用基于對數-極坐標的光學坐標變換將帶螺旋波前的光場轉變為帶有傾斜波前的平面波，再通過傅里葉變換將光場分離到不同的空間位置上，從而實現OAM模式解復用。該解調方法簡單、效率高且容易集成，但是基于對數-極坐標的光學坐標變換沿著圓形路徑將光場映射到輸出平面上，其有限的方向角θ＝[0,2π)會使解調光斑寬度大于相鄰OAM模式解調光斑的間距，從而導致相鄰OAM模式串擾。

為了解決這一問題，不少文獻從光學傅里葉變換角度出發，通過扇出型光柵在空間域上復制了經過光學變換的光場來減小空間頻域上的解調光斑寬度，從而降低相鄰OAM模式疊加引起的串擾，然而這類方法增加了解復用器件設計的復雜度。

發明內容

本發明為了解決能同時實現SAM和OAM模式解復用的問題，提供了一種光子自旋-軌道角動量聯合模式的測量方法及測量系統，其具有高效率、低串擾、易于實現和集成化的特點，有效的解決了同時實現SAM和OAM模式解復用的問題。

為實現上述本發明目的，采用的技術方案如下：一種光子自旋-軌道角動量聯合模式的測量方法，所述的該方法包括以下步驟：

S1：將待測的帶有自旋-軌道角動量的光場垂直輸入到至(x,y)平面，且光場中心與該平面中心對準；假設光子自旋角動量其中σ＝±1，其與光場的偏振態密切相關，σ＝1為左旋圓偏振態，σ＝-1為右旋圓偏振態；光子軌道角動量其中l＝0,±1,±2,±3...與光場的螺旋波前相聯系；設輸入光場的波前相位可表示為exp(ilθ)；其中l為拓撲荷數即軌道角動量模式；θ為方位角；i為虛數單位；