[發明專利]基于多環完美渦旋光束的高維數字信號編解碼方法與系統

在審

• 申請號: 202210575427.9
• 申請日: 2022-05-25
• 公開（公告）號: CN115037377A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 沈鋒;唐奧;熊光昀;蘭斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: H04B10/516
• 分類號: H04B10/516;H04B10/50;H04B10/60
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 鄧治平

本發明涉及一種基于多環完美渦旋光束的高維數字信號編解碼方法與系統。本發明利用完美渦旋光束光環半徑不隨軌道角動量變化的特性，提出將軌道角動量模式和空間位置信息兩個獨立的維度同時作為編碼特征，即軌道角動量編碼與空分復用結合，進行高維數字編碼，提升編碼效率。在有限的空間下，使用較少的軌道角動量模式，可以編碼更大的信息量。該方法編碼通過全息實現，解碼通過扇形微透鏡實現，系統結構簡單，計算方便。

技術領域

本發明屬于光通信領域，具體涉及一種基于多環完美渦旋光束的高維數字信號編解碼方法與系統。

背景技術

渦旋光束是一種具有連續螺旋相位分布、光束中心為相位奇點、中心光強始終為零的光束，又稱暗中空光束，光束傳播過程中光強呈現為環狀分布。這種光束的每個光子具有大小的軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)，其中l叫做拓撲荷數或模式數。而且渦旋光束各模式之間是相互正交的，可以組成完備的正交基，在突破通信容量上也有巨大的潛力；另外在光鑷和光學加工也有很好的應用前景。

目前基于OAM的光通信，有兩種應用方式，一種是使用渦旋光束作為載波，可以將模式復用技術引入到傳統的光通信中，增加系統的信道容量。一種是將渦旋光束的軌道角動量作為一種新的物理維度來進行編碼，由于拓撲荷數可以取到無窮，因此理論上，該方法具有承載無窮比特信息的編碼能力，具有很大的應用潛能。但是傳統的渦旋光束其光束半徑與拓撲荷數成正比，這限制了高階渦旋光束的應用，比如在通信領域，對于高階渦旋光束需要更大的接收口徑。因此，完美渦旋光束被提出，來解決這一限制，它的光環半徑不隨拓撲荷數變化，可以在小口徑的條件下，應用大拓撲荷數的渦旋光束。而且目前對于拓撲荷數大于100的高階渦旋光束的生成技術和檢測技術是不易實現的，我們希望采用有限的軌道角動量模式來編碼實現更高比特的信息量。常見的方法主要有采用多個模式耦合傳輸，但這涉及到軌道角動量譜的測量，增加了接收端探測系統的復雜性。

發明內容

本發明的目的在于解決上述生成方法的不足，提出了種基于多環完美渦旋光束的高維數字信號編解碼方法與系統。本發明提出的基于多環完美渦旋光束的高維數字信號編碼方法與系統，在使用OAM作為編碼特征進行編碼的同時，將多環完美渦旋光束各環的位置信息也作為編碼特征，即將空間分割作為編碼信息，以求更高的增益。這樣將OAM編碼與空分復用技術結合，可以實現更高維度的信息編碼。在采用有限的OAM模式的前提下，利用完美渦旋光束的物理特性，引入空間位置信息，不同位置環上的完美渦旋光束同時也具有不同的OAM，這樣可以實現更高效率的信息編碼。

本發明采用的技術方案為：

一種基于多環完美渦旋光束高維數字信號編碼方法，使用多環完美渦旋光束，將每個環上的完美渦旋光束的OAM信息與空間位置信息同時進行編碼，即將OAM模式編碼與空分復用技術結合，來提升編碼效率。將OAM編碼與空分復用技術結合，實現高維信息編碼。

一種基于多環完美渦旋光束高維數字信號編碼系統，包括發射部分和接收部分。其中，用于產生多環完美渦旋光束并進行編碼的發射部分包括激光器，偏振片，擴束器，空間光調制器，第一望遠鏡系統。用于解碼的接收部分包括第三透鏡、第四透鏡、扇形微透鏡陣列、CCD相機，計算機。

進一步地，所述的激光器用于產生基模高斯光束。

進一步地，所述的偏振片用于產生與空間光調制器對應的線偏振激光。

進一步地，所述的擴束器用于將激光擴束。

進一步地，所述的空間光調制器，至于擴束鏡后方，其靶面加載編碼所需的全息圖，用于生成不同環上不同OAM模式的多環完美渦旋光束。

進一步地，所述的第一望遠鏡系統，由于兩個焦距為f透鏡和一個小孔光闌組成，第一個透鏡距離空間光調制器距離為f，第二個透鏡距離第一個透鏡2f，小孔光闌位于兩個透鏡中間，距兩個透鏡的距離均為f。該望遠鏡系統用于濾波其他高階衍射級次和高頻噪聲，獲得模式純度高的多環完美渦旋光束，來進行自由空間傳輸。