[发明专利]一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控方法与系统

说明书

本发明公开了一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控方法与系统。本发明将光束轨道角动量编码技术与传统的振幅键控技术相结合，在采用有限的OAM态编码的情况下，引入了振幅键控技术，进一步提升了数字信号的编码效率。本发明的光束轨道角动量态和振幅的混合键控系统中，数字信号的调制与解调均可分别由一经特殊设计的衍射光栅配合简单的光学系统和图像处理系统来实现，结构十分简单，易于调节，并降低了系统成本。本发明相比于现有的数字信号调制解调方法与系统相比具有很大的进步，在自由空间光通信系统中具有十分广阔的应用前景。

技术领域：

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控方法与系统。

背景技术：

涡旋光束是一种新型激光束，其横截面光场呈环形，具有螺旋形波前结构。科学研究表明，涡旋光束的复振幅表达式中含有螺旋相位项其中l为角量子数，也称为拓扑荷，可以为任意整数；为角向坐标。涡旋光束中的每一个光子均携带有值为的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)，其中为约化普朗克常量，因此涡旋光束也称为携带有OAM的光束或OAM光束。涡旋光束的角量子数l决定了其包含的每一个光子所携带的OAM的多少，是涡旋光束的本征值，也被称为涡旋光束的阶次或OAM态。涡旋光束携带有OAM的这一独特性质，使得其在光通信、光镊技术、旋转探测、量子纠缠等领域具有极高的应用价值，近年来引起了国内外学者的广泛关注。

将携带有OAM的涡旋光束应用到光通信领域，可以十分有效的提升通信系统的性能。首先，涡旋光束的OAM态可以作为一个新的维度来进行信息编码，即OAM编码。N个不同OAM态(l₁，l₂，l₃，…，l_N，)可以表示一N进制数(0，1，2，…，N-1)，进而使得一次编码即具有log₂N比特的信息量，相比于传统的二进制1比特编码而言，将编码效率提升了log₂N倍。由于OAM态l可取无穷多个值，故理论上使一个光子承载无穷比特的信息量。另外，不同阶次l的涡旋光束相互正交，表明具有多个不同OAM态的涡旋光束的各个OAM成分可相互分离，互不影响。因此，以具有不同OAM态的涡旋光束作为载波，将模式复用技术引入传统光通信中，可大大拓展通信系统的信道容量。

在OAM编码技术中，虽然理论上可以实现一次编码承载无穷比特的信息量，但这在实际应用中却并不易实现。若要实现B比特的信息编码，则需2^B不同的OAM态，例如当B＝8时，就需要256个不同的OAM态。从涡旋光束生成探测的角度来看，首先生成高阶高纯度的涡旋光束(如|l|100)在技术上较为复杂。其次，若采用N个不同OAM态(l₁，l₂，l₃，…，l_N，)进行N进制编码，则在系统接收端须可识别l₁～l_N这N个OAM态。随着N的增大，接收端探测系统的OAM态探测区间也会增大，在技术上存在一定的困难。因此当前需开发新的编码技术，使得采用有限的OAM态来实现更高比特信息量的编码。

发明内容：

有鉴于此，本发明公开了一种基于光束轨道角动量态和振幅的混合键控(orbitalangular momentum amplitude shift keying,OAM-ASK)方法与系统。

本发明的OAM-ASK的数字信号调制解调方法，将OAM编码技术与传统的振幅键控技术结合，在采用有限的OAM态编码的情况下，引入振幅键控技术，来进一步提升数字信号的编码效率。

本发明的OAM-ASK系统包括发射器和接收器两部分，其中，发射器用于实现数字信号OAM-ASK编码，具备激光器、偏振分光棱镜、液晶空间光调制器和4-f成像系统：

所述激光器，作为光源，用以产生基模高斯光束；

所述偏振分光棱镜，置于激光器发出的激光光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；