一种基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量方法及系统，通过位于输入平面的相位板将入射光场在输入平面沿着螺旋线的路径映射到输出平面的直线上；而位于输出平面的相位板则补偿光场在上述变换过程中从输入平面传播到输出平面时所累积的相位，从而实现将输入平面处的待测光子轨道角动量模式变换成输出平面处具有特定倾斜波前的平面波模式；进而通过凸透镜将具有不同倾斜波前的平面波模式聚焦到焦平面上的不同位置，从而实现待测的光子轨道角动量模式与空间位置的一一对应和探测。本发明有效克服由于解调光斑展宽引起的相邻模式串扰问题，在保持高解调效率的同时进一步实现高分辨率的光子轨道角动量模式测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信应用的空间模式复用/解复用领域，更具体地，涉及基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量方法及系统。

背景技术

随着以互联网为核心的包括移动互联网、物联网、云计算、大数据等在内的一整套信息技术的发展，信息的高速膨胀对光通信系统的信息传输容量提出了巨大的需求。鉴于目前传统的信道复用技术包括波分复用、时分复用和偏振复用等带来的通信容量提升已接近极限，基于空域的模分复用技术来实现通信容量的再一次大幅提升已成为当前通信领域的重要研究方向之一。空域的模分复用是利用光场在空间上存在相互正交的本征模式，每一个空间模式可以作为一个独立的信道进行信号传输，从而大幅度地提高通信系统的传输容量。近些年来受到人们广泛关注的模分复用方案之一则是基于携带光子轨道角动量(Orbital angular momentum，OAM)的涡旋光束，利用涡旋光束进行光通信的设想最早于2004年提出，随后基于OAM模式复用的大容量通信实验相继在自由空间光通信系统和光纤通信系统进行了演示。然而推动这一OAM通信系统走向实用化仍有赖于开发出更为集成、高效的OAM产生、复用、传输、解复用和探测技术。

OAM解复用器是OAM通信系统中的核心器件之一，其功能是对共轴传输的不同OAM模式在空间上进行分离，使得不同OAM模式及其携带的信息可以互不干扰地被处理和探测。目前几种典型的OAM解复用方法包括：(1)干涉方法，如利用一对道威棱镜可以高效(理论上接近100％)分离奇偶OAM模式，但如果要进一步分离所有不同OAM模式，则需要级联多个光学元件，使得整个系统非常复杂；(2)全息法，它是利用全息图中特殊设计的衍射光栅将不同OAM模式解调成不同衍射级上的高斯模式，由于只需要一个相位全息图因而实现上最为简单，但其缺点则是解调效率的理论上限仅为1/N，其中N为解调的OAM模式数，即解调效率随着解调模式数的增加而减小，不利于向上拓展；(3)集成光子芯片，通过光栅耦合器将空间涡旋光耦合进波导后利用阵列波导光栅将其螺旋相位转换成线性相位从而耦合到不同的输出波导，其优点是作为片上OAM解复用器有利于大规模集成，但由于器件复杂制作难度大，并且由于光栅耦合器的受光面积有限使得最终整体解调效率非常低。

相比之下，基于光学坐标变换的OAM模式解复用方案则同时具有解调效率高(理论上100％)和实现相对容易(只需两个相位板)等优点，因而是当前非常重要且最具潜力的解复用方案之一。其中对数极坐标变换是目前为人们熟知的唯一一种可用于实现OAM解复用的光学坐标变换，它的原理是将OAM模式的角向螺旋相位变换为横向的线性相位，对应于具有不同倾斜波前的平面波模式，进而利用一个凸透镜就可以将不同模式聚焦在焦平面上的不同位置实现模式分离。然而由于这一变换方案是将光场沿着封闭的圆形路径展开，打破了角向无限循环的特点，因而解调后的OAM模式在空间上会被展宽，导致相邻模式的解调光斑之间具有显著重叠，引起模式之间的串扰。

发明内容

为解决现有对数极坐标变换方案的局限性，本发明提出了一种新的光学坐标变换方案用于OAM模式解复用。相对于现有对数极坐标变换中沿着封闭的圆形路径将OAM模式的角向相位变换为线性相位，本发明沿着螺旋线的路径进行光场变换因而可以从OAM模式的波前中提取更多的相位变化，且理论上仅受限于OAM光斑的大小，从而可以克服解调后的OAM光斑的展宽导致的相邻模式串扰问题，在保持高解调效率的同时进一步实现高分辨率的光子轨道角动量模式分离，因而具有更大的实用潜力。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量系统，包括光学坐标变换模块、傅里叶变换模块和光强探测模块，其中，

所述的光学坐标变换模块包括两个具有光场相位调制功能的相位板；

所述的傅里叶变换模块包括凸透镜，所述的凸透镜的前焦面和后焦面处的光场满足傅里叶变换的关系；

所述的光强探测模块用于获取光强分布信息。

在一种优选的方案中，所述的相位板是空间光调制或者衍射光学元件或者超构表面等。

在一种优选的方案中，所述的相位板是一个基片的正反两面，分别定义为(x,y)平面和(u,v)平面，基片厚度为d；所述的傅里叶变换模块的凸透镜与第二块相位板(u,v)平面相互平行，第二块相位板(u,v)平面与凸透镜的前焦面相对应；所述的光强探测模块所在平面与凸透镜的后焦面相对应。

在一种优选的方案中，光强探测模块由相机构成，通过拍摄图像获取光强分布信息。

在一种优选的方案中，光强探测模块由光纤阵列构成，通过耦合进不同光纤获取光强分布信息。

一种基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将携带光子轨道角动量的待测的入射涡旋光场垂直入射至(x,y)平面的相位板1，且待测光场的中心与相位板的中心对准，其中入射涡旋光场的波前为角向螺旋相位分布为exp(ilθ)；所述的l为拓扑电荷数；所述的θ为方位角；所述的i是虚数单位；

S2：在(x,y)平面的相位板1上加载预先设定的第一相位调制Q(x,y)，使入射涡旋光场经过相位板1调制后传播到(u,v)平面的相位板2；

本步骤的相位调制Q(x,y)使得光强分布从原来(x,y)平面上的环形分布变换为长条形分布，这是通过将(x,y)平面上的光场沿着螺旋线的路径分解并映射到(u,v)平面上的直线(u＝const)，即光学螺旋变换来实现的

S3：在(u,v)平面的相位板2上加载预先设定的第二相位调制P(u,v)，使得入射涡旋光场的相位分布从角向螺旋相位exp(ilθ)变换为横向线性相位exp(ilv/β)；所述的β为尺度缩放因子；

在上述映射过程中，(x,y)平面上不同位置处的光场在传播到(u,v)平面上的相应位置时的光程并不相同，因而(u,v)平面上的光场会存在相位畸变。因此需要在(u,v)平面的相位板2上加载预先设定的另一相位调制P(u,v)，对光场的这一相位畸变进行补偿。经过相位补偿后相位分布上从角向螺旋相位exp(ilθ)变换为横向线性相位exp(ilv/β)。由此，具有不同拓扑电荷l的光学轨道角动量模式在经过上述两个相位板作用后转换为具有不同倾斜波前的平面波模式，并且倾斜程度正比于l；

S4：将通过第二相位调制P(u,v)后的入射涡旋光场通过凸透镜，由于变换后的横向线性相位，使得入射涡旋光场被聚焦到凸透镜后焦面上的横向位置m，所述的凸透镜的前焦面和后焦面的光场满足傅里叶变换的关系；所述的m通过下式进行表达：

式中，所述的λ是光波的波长，所述的f是凸透镜的焦距；

本步骤将变换后的具有不同倾斜波前的平面波模式分别聚焦到透镜后焦面上的特定横向位置，实现了横向位置与待测光子轨道角动量拓扑电荷数l成正比，从而实现不同光子轨道角动量模式与空间位置的一一对应；

S5：通过位于透镜后焦面上光强探测模块，记录光强分布位置，确定待测光场的光子轨道角动量模式的拓扑电荷数l。

在一种优选的方案中，所述的S2中的(x,y)平面上的光场沿着对数螺旋线的路径分解并映射到(u,v)平面上的直线，相应的坐标映射关系通过下式进行表达：

式中，所述的a、β和r₀为对数螺旋变换的相关参数，即r₀表示映射到(u,v)平面的原点对应(x,y)平面的位置信息；β表示经过(x,y)平面的相位板1变换后的入射涡旋光场在(u,v)平面沿着直线分布的长度；a表示对数螺旋线的变化快慢程度，当a＝0时，表示对数螺旋变换退化为对数极坐标变换；所述的(r,θ)是(x,y)平面的螺旋极坐标。

在一种优选的方案中，所述的(r,θ)通过下式进行表达：

式中，所述的表示取整数部分，θ的取值范围是(-∞,+∞)。

本优选方案中，变换后的光场可以从待测光子轨道角动量模式中提取更多的相位变化信息，经过聚焦后的光斑展宽程度更小，可以有效克服原有对数极坐标方案中相邻模式部分重叠引起的串扰问题。

在一种优选的方案中，所述的第一相位调制Q(x,y)通过下式进行表达：

式中，所述的k为入射涡旋光场在相位板1与相位板2之间的传播的波数，所述的d为相位板1与相位板2之间的距离。

在一种优选的方案中，所述的第二相位调制P(u,v)通过下式进行表达：

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1.由于螺旋变换相比于对数极坐标变换可以天然地从光子轨道角动量模式中提取更多的相位变化信息从而提高相邻模式之间的隔离度，因而从原理上解决了现有对数极坐标变换方案中固有的相邻模式串扰的问题。

2.由于螺旋线的形式多样，对应存在不同的螺旋变换，可以极大地推广现有的对数极坐标变换方案并且在实际应用中也具有更大的灵活性，因而具有更大的实用潜力。

附图说明

图1为实施例的流程图。

图2为实施例中通过光学坐标变换实现光子轨道角动量模式分离的原理及其系统构成示意图。

图3为实施例中两个相位板集成到同一个基片的正反两面的示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

一种基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量系统，由光学坐标变换模块、傅里叶变换模块和光强探测模块构成，如图2所示。其中最为核心的光学坐标变换模块是由两个具有光场相位调制功能的相位板构成(即相位板1和相位板2)，相位板可以是常见的空间光调制器、衍射光学元件以及超构表面等，为了使其尽可能简单易用，本实施例把实现螺旋变换所需的两个相位板集成到同一个基片的正反两面，如图3所示，使这两个相位板在制作过程中就实现精确对准。傅里叶变换模块则是由一个凸透镜构成，透镜的前焦面和后焦面处的光场满足傅里叶变换的关系；而光强探测模块可由相机或者光纤阵列构成，通过拍摄图像或者耦合进不同光纤来获取光强分布信息。

光学坐标变换模块中位于基片上下表面的两个相位板所在平面分别记为(x,y)和(u,v)，相距为d，对应基片厚度；而傅里叶变换模块的凸透镜则平行放置在相位板2后面，并且使相位板2所在平面(u,v)对应于透镜的前焦面，而光强探测模块所在平面(m,n)则对应于透镜的后焦面。

如图1所示，一种基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量方法，包括以下步骤：

步骤1：获取待测的光子轨道角动量模式，对应涡旋光场的波前具有特定的角向螺旋相位exp(ilθ)，其中l为拓扑电荷数，θ为方位角。本实施例以l＝1作为待测的光子轨道角动量模式进行说明。使该待测光场垂直入射至光学坐标变换模块中的相位板1，并且保证光场中心与相位板坐标中心对准。

步骤2：入射到光学坐标变换模块的待测光场依次经过相位板1和相位板2的相位调制Q(x,y)和P(u,v)实现螺旋坐标变换，即

其中k为入射光场在基片内传播的波数，a、β和r₀为对数螺旋变换的待定参数，r₀表示映射到(u,v)平面的原点对应(x,y)平面的位置信息；β表示经过(x,y)平面的相位板1变换后的入射涡旋光场在(u,v)平面沿着直线分布的长度；a表示对数螺旋线的变化快慢程度，当a＝0时，表示对数螺旋变换退化为对数极坐标变换；所述的(r,θ)是(x,y)平面的螺旋极坐标，即

其中表示取整数部分，θ的取值范围是(-∞,+∞)。

经过该模块的螺旋变换后，入射光场的强度分布从原来(x,y)平面上的环形分布变换为(u,v)平面上横向的长条形分布，相位分布则从角向螺旋相位exp(ilθ)变换为横向线性相位exp(ilv/β)。对于l＝1的情况，该横向线性相位为exp(iv/β)，对应于具有特定倾斜角度的平面波模式。

步骤3：经过变换后具有特定倾斜波前exp(ilv/β)的光场入射到作为傅里叶变换模块的凸透镜(焦距为f)，会被聚焦到后焦面(m,n)上的特定横向位置其中λ为光波的波长，从而实现不同光子轨道角动量模式与空间位置的一一对应。对于l＝1的情况，光场将被聚焦到的横向位置。

步骤4：利用位于透镜后焦面上的光强探测模块，通过其测得的光强分布位置就可以确定出待测光子轨道角动量模式的拓扑电荷数为l＝1。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。