基于多拓扑荷数环形光束的自由空间光通信系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于多拓扑荷数环形光束的自由空间光通信系统及方法，发射端将待传输的信息编码为拓扑荷数分布，并设计相应的目标环形光束，计算得到相应的位相全息图，再将该位相全息图加载到空间光调制器中；发射端激光器发出的激光束照射到空间光调制器上进行位相调制，产生目标环形光束；目标环形光束经自由空间光通信链路传输至接收端由CCD相机接收；同时，从接收端激光器发出的激光束经准直扩束后也由CCD相机接收；由此，CCD相机上记录了发射端的目标环形光束与接收端准直扩束后的激光束的干涉图样；分析干涉图样的强度分布，得到目标环形光束的拓扑荷数分布，从而识别发射端传输的信息。本发明传输信息容量大、安全等级高。

说明书

技术领域

本发明属于光束整形、光束应用和光通信等领域，具体涉及一种基于多拓扑荷数环形光束传输加密信息的自由空间光通信系统及方法。

背景技术

光学编码技术在自由空间光通信系统中较为常用[1-3]。传统的涡旋光束具有一相位项exp(ilθ)，其中l是拓扑荷数，θ是方位角，该光束中每个光子具有大小为lh的轨道角动量[4]。可见，拓扑荷数与光子的轨道角动量态和大小直接相关。传统的涡旋光束已经被用来进行信息编码[5-8]，尤其是叠加的涡旋光束可以增加传输信息的容量。2001年Lin等人[9]利用算法产生了共轴叠加的多轨道角动量态并实现了量子信息传输容量的增加。在文献[10]中，两束拓扑荷数不相等的涡旋光束相干涉产生了具有多环结构的光束，该光束具有多个不同的轨道角动量，但是每一个环形光束只对应一个轨道角动量。2004年，研究人员通过全息的方法产生了带有多个轨道角动量的光束，但是每一个光束只存在两种轨道角动量[11]。在文献[12-15]中，研究人员利用算法实现了轴向多个涡旋光束的叠加并在不同轨道角动量状态下，实现了自由空间光的多路复用技术的实验。2013年，Jia等人[16]利用全息光学的方法产生了旁瓣可以调制的光学旋涡阵列，并提出了一种新的编码信息的方法。虽然这些研究已经证实了轨道角动量在自由空间光通信中的编码能力，但是单个光束携带的轨道角动量态较少，有限的轨道角动量状态在信息容量和自由空间光通信的安全水平上都有缺陷。

因此，有必要设计一种传输信息容量更大，且安全性更高的自由光通信方法及系统。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于多拓扑荷数环形光束的自由空间光通信系统及方法，可传输的信息容量较大且具有较高的安全等级。

本发明所提供的技术方案为：

一种基于多拓扑荷数环形光束的自由空间光通信系统，如图1所示，包括发射端(Transmitter unit)和接收端(Receiver unit)；发射端包括计算机、第一激光器、空间光调制器和第一望远镜；接收端包括第二激光器、第二望远镜、傅里叶变换透镜、分光镜以及CCD相机；第一望远镜的物镜与第二望远镜的物镜相对；该系统的工作过程为：

S1、在发射端和接收端预先建立光束的即拓扑荷数(位相梯度取值)与各种信息之间的映射关系(如拓扑荷数1代表某一个文字、指令或图像，拓扑荷数2代表另一个文字、指令或图像)；

S2、发射端的计算机首先根据映射关系将待传输的信息编码为拓扑荷数分布，并根据编码而成的拓扑荷数分布设计相应的目标环形光束；然后根据需要产生的目标环形光束，利用光束整形算法计算得到相应的位相全息图；再将该位相全息图加载到空间光调制器中；

S3、第一激光器发出的激光束经准直扩束后，照射到具有位相全息图的空间光调制器上，空间光调制器对输入的光束的位相进行调制后产生目标环形光束；目标环形光束被空间光调制器反射后依次经傅里叶变换和第一望远镜扩束(以便大距离传输)，再由自由空间光通信链路传输至接收端；

S4、接收端的第二望远镜收集来自发射端的光束并将其直径缩小，光束依次通过傅里叶变换透镜和分光镜，最后由CCD相机接收；

同时，从接收端的第二激光器发出的激光束经准直扩束后也通过分光镜，同样由CCD相机接收；

由此，CCD相机上记录了发射端的目标环形光束与接收端准直扩束后的激光束的干涉图样；

S5、分析干涉图样的强度分布，得到目标环形光束的拓扑荷数分布(排列样式)，从而识别发射端传输的信息。

上述空间光调制器(Spatial Light Modulator，简称为SLM)是利用液晶像素阵列对照射的光束的振幅或位相进行调制；由于空间光调制器的液晶像素阵列的透过率分布或位相分布由电路控制，因此，利用计算机接口，可以实现对光束的振幅或位相的动态调制。

上述傅里叶透镜是凸透镜，用于对相位全息图调制的光束作傅里叶变换，在其像平面上可以重建目标环形光束。分光镜位于傅里叶变换透镜的像平面上。分光镜的作用是将接收端发出的激光和环形光束叠加进入CCD。

所述根据编码而成的拓扑荷数分布设计相应的目标环形光束，是指设计一个强度均匀分布且沿环面具有多个拓扑荷数的目标环形光束；设目标环形光束沿环面分成n个部分，各部分的位相分布用公式(1)表示：

式中，n是一个整数，表示目标环形光束沿环面的第n个部分，φ是方位角，理论上每一部分包含的方位角范围彼此不同，l_n是对应第n个部分的方位角系数；方位角系数与拓扑荷数有直接对应关系，环形光束的任一弧形部分的拓扑荷数值可根据l_n·Δφ/(2π)计算，其中Δφ表示方位角φ所对应的弧形部分所张的弧度，即相应部分方位角的大小。因此，环形光束不同的部分具有不同的轨道角动量，能够利用该环形光束对信息进行编码。

为了便于在自由空间光通信系统的接收端识别传输的信息，在目标环形光束上设计一个光强为零的缺口，缺口的大小和位置可自主设置。缺口用作目标环形光束梯度位相的标记点，其设置是为了方便从标记点开始读取目标环形光束的拓扑荷数分布。

所述环形光束的半径能够任意设置。

所述S2中光束整形算法为复振幅整形算法。

所述S4中接收端的第二望远镜收集来自发射端的光束并将其直径缩小到4mm。

所述S4中傅里叶变换透镜焦距f的取值范围为50mm-500mm。

所述拓扑荷数是指单个拓扑荷数或由多个拓扑荷数按一定顺序排列而成的拓扑荷数组合。

本发明还公开了一种基于多拓扑荷数环形光束的自由空间光通信方法，采用上述系统和上述工作过程进行通信。

有益效果：

本发明利用光束整形的方法设计产生了一种新型的带有多个拓扑荷数的环形光束，用于在局域范围内的信息传输。不同于涡旋光束，本发明中用于编码的环形光束的半径能够任意设置，不依赖于其相位梯度的拓扑荷数，且不受拓扑荷数大小的制约。圆环可以分成多个不相等的部分，每一个部分可具有不同的位相梯度和轨道角动量。因此，当窃听者不知道环形光束的分段情况和相位分布情况时，将很难通过半径、干涉图样等来识别传输的信息。因此，这种具有多个相位梯度的环形光束具有信息编码容量大、安全性高的优点，在自由空间光通信领域具有潜在的应用。

附图说明

图1为本发明自由光通信系统示意图；

图2为带缺口的环形光束位相与强度分布图，图2(a)为位相分布图，图2(b)为强度分布图；

图3为将图2中所示的环形光束与平行光束干涉所获得的干涉图样的光强随方位角的变化关系和光强分布图；图3(a)为光强随方位角的变化关系图，图3(b)为光强分布图；

图4为编码后的环形光束强度和位相分布图；图4(a)为强度分布图，图4(b)为位相分布图；图中横坐标与纵坐标均表示所指方向上的像素；

图5为传统涡旋光束和编码的环形光束与平面波干涉强度分布图；图5(a)为传统涡旋光束与平面波干涉强度分布，图5(b)为编码的环形光束与平面波干涉强度分布。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步具体说明。

本发明公开了一种基于多拓扑荷数环形光束的自由空间光通信系统，如图1所示，包括发射端(Transmitter unit)和接收端(Receiver unit)；发射端包括计算机、第一激光器、空间光调制器和第一望远镜；接收端包括第二激光器、第二望远镜、傅里叶变换透镜、分光镜以及CCD相机；第一望远镜的物镜与第二望远镜的物镜相对；该系统的工作过程为：

S1、在发射端和接收端预先建立光束的即拓扑荷数(位相梯度取值)与各种信息之间的映射关系(如拓扑荷数1代表某一个文字、指令或图像，拓扑荷数2代表另一个文字、指令或图像)；

S2、发射端的计算机首先根据映射关系将待传输的信息编码为拓扑荷数分布，并根据编码而成的拓扑荷数分布设计相应的目标环形光束；然后根据需要产生的目标环形光束，利用光束整形算法计算得到相应的位相全息图；再将该位相全息图加载到空间光调制器中；S3、第一激光器发出的激光束经准直扩束后，照射到具有位相全息图的空间光调制器上，空间光调制器对输入的光束的位相进行调制后产生目标环形光束；目标环形光束被空间光调制器反射后依次经傅里叶变换和第一望远镜扩束(以便大距离传输)，再由自由空间光通信链路传输至接收端；

S4、接收端的第二望远镜收集来自发射端的光束并将其直径缩小，光束依次通过傅里叶变换透镜和分光镜，最后由CCD相机接收；

同时，从接收端的第二激光器发出的激光束经准直扩束后也通过分光镜，同样由CCD相机接收；

由此，CCD相机上记录了发射端的目标环形光束与接收端准直扩束后的激光束的干涉图样；

S5、分析干涉图样的强度分布，得到目标环形光束的拓扑荷数分布(排列样式)，从而识别发射端传输的信息。

所述根据编码而成的拓扑荷数分布设计相应的目标环形光束，是指设计一个强度均匀分布且沿环面具有多个拓扑荷数的目标环形光束；设目标环形光束沿环面分成n个部分，各部分的位相分布用公式(1)表示：

式中，n是一个整数，表示目标环形光束沿环面的第n个部分，φ是方位角，理论上每一部分包含的方位角范围彼此不同，l_n是对应第n个部分的方位角系数；方位角系数与拓扑荷数有直接对应关系，环形光束的任一弧形部分的拓扑荷数值可根据l_n·Δφ/(2π)计算，其中Δφ表示方位角φ所对应的弧形部分所张的弧度，即相应部分方位角的大小。因此，环形光束不同的部分具有不同的轨道角动量，能够利用该环形光束对信息进行编码。

为了便于在自由空间光通信系统的接收端识别传输的信息，在目标环形光束上设计一个光强为零的缺口，缺口的大小和位置可自主设置。

所述S2中光束整形算法为复振幅整形算法。

所述S4中接收端的第二望远镜收集来自发射端的光束并将其直径缩小到4mm。

所述S4中傅里叶变换透镜焦距f的取值范围为50mm-500mm。

本发明还公开了一种基于多拓扑荷数环形光束的自由空间光通信方法，采用上述系统和上述工作过程进行通信。

在图1所示的自由光通信系统中，利用所产生的具有多个拓扑荷数的环形光束对信息进行编码。

为了便于说明，设计产生一个由三个弧度相等部分组成的环形光束为例，光束的半径设定为60个像素长度(每个像素面积大小为15μm×15μm)。该环形光束各个部分位相分布可以用(2)式表示：

据此所产生的环形光束的相位和强度分布分别如图2(a)与2(b)所示，其中，0≤φ≤π/6部分对应的位置设置一个强度为零的缺口(缺口的大小和位置可自主设置)用作读取标记，该缺口对应弧度大小为π/6，剩下部分分成三个部分，每个部分对应的方位角大小Δφ分别为π/2、2π/3、2π/3，每个部分对应的方位角系数分别为8、18、12；由于方位角系数与拓扑荷数有直接对应关系，环形光束的任一弧形部分的拓扑荷数值可根据l_n·Δφ/(2π)计算，由此得到相应的每一个部分的相位梯度拓扑荷数分别为2、6、4。图2所示的环形光束传输到自由光通信系统的接收端，与准直光束的干涉强度分布如图3所示。通过对干涉强度的分析能够得到编码的环形光束携带不同相位梯度的拓扑荷数。图3(a)展示了编码的环形光束与准直激光束干涉后光强随方位角的变化关系，图中存在十四个强度最大值和十三个强度最小值。因此，能够通过计算分析干涉图样来识别传输的信息。

在模拟中，参数设置为：采样点N_x＝N_y＝512，波长λ＝532nm，每个像素的长度与宽度均为pitch＝15μm，空间光调制器的液晶屏长度与宽度均为L＝512×pitch，则编码的环形光束的强度和相位分布如图4(a)和4(b)中。

把待传输信息编码为携带多个拓扑荷数的环形光束不仅能提高安全性能，而且还提高了自由空间光通信系统传输的信息容量。系统的优点如下：首先，编码的环形光束的半径能够任意调节，不依赖于拓扑荷数的大小。第二，该环形光束的圆环可分成多个不同的部分。第三，该环形光束的每个弧形部分能够携带不同的相位梯度，即拓扑荷数。

传统的涡旋光束的半径取决于所带有的位相梯度[18]。因此，利用传统的涡旋光束或者叠加的涡旋光束进行信息编码时，窃听者可以通过分析这种光束的半径从而获取编码的信息[16]。除此以外，利用传统或者叠加的涡旋光束与平面波进行干涉时，窃听者通过分析干涉后的干涉图样能够很容易得到该光束所带有的拓扑荷数。例如，利用一个传统涡旋光束与一个平面波进行干涉所得的干涉图样如图5(a)所示，通过计算干涉强度极大的数目，窃听者很容易得到该涡旋光束具有拓扑荷数为20或者-20的编码信息。而如果利用环形光束(先设定目标光束，确定目标光束的梯度位相分布，此过程即为信息编码，然后采用复振幅整形算法获得位相全息图分布，最后利用准直激光照射具有该位相全息图的空间光调制器，产生目标环形光束)，窃听者无法仅仅通过分析环形光束的半径或者干涉图样的强度极大的数目识别编码信息。例如，利用复振幅整形算法设计产生了一个环形光束，然后与平面波干涉，干涉光束强度分布如图5(b)所示。从图中可见，仅通过分析其半径大小或者强度极大的数目不可能得到编码光束所携带的位相梯度的拓扑荷数值和拓扑荷数排列顺序等的准确信息。

通过上面的分析，利用复振幅整形算法设计产生的环形光束的半径与位相梯度均可以用来实现对信息的编码。编码的环形光束的圆环可以分成多个部分且每个部分具有不同的位相梯度，一个窃听者在光束传输过程中是很难实现窃听的。因此，这种光束比传统的涡旋光束或者叠加的涡旋光束具有更高的安全性[12-14]。利用图4(a)与4(b)展示的环形光束进行信息传输不仅具有较高的安全性而且可以增加传输信息的容量。假定设计产生的环形光束由m个部分组成，每一个部分能够设置的最大拓扑荷数为n，拓扑荷数符号不同携带的信息也不同，除此以外，环形光束各个部分具有的拓扑荷数彼此不同。由于n部分中，每部分可有正负m种拓扑荷数可选取值，即每部分有2m个取值，则n部分的拓扑荷数取值的排列组合数为(2m)ⁿ。因此，(2m)ⁿ种组合可以实现对信息的编码。例如，若一环形光束的编码值为n＝5，m＝10,则大约320万种编码可以实现，从而使大容量信息可以被传输。对比具有最大拓扑荷数为m的传统涡旋光束，仅仅20种信息可以被编码与传输。很明显，利用所设计产生的环形光束能够传输大容量的信息，并具有极高的安全性。

本发明利用带有多个位相梯度(即轨道角动量)的环形光束进行信息编码与传输，不仅可以大大增加信息传输的容量，而且增强了信息传输的安全性。这种自由空间光通信系统在局域军事通信及日常生活中有着潜在应用。

本发明所采用的设备可以反复使用，且构造简单，制作成本低廉，性价比高。参考文献：

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