[发明专利]基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别系统

说明书

本发明公开了一种基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别系统，涉及光通信技术。本系统是：He‑Ne激光器和第1分束器前后连通，第1分束器分别与第1空间光调制器和第2空间光调制器连通，第1空间光调制器和第2空间光调制器分别与第2分束器连通，第2分束器、第1数字微镜设备、第2数字微镜设备、第3数字微镜设备、透镜和电荷耦合摄像机依次连通。本发明使用数字微镜设备实现复用多模式轨道角动量光束的分离与识别；利用相位补偿机制，实现对各个光斑相位的畸变校正；利利用衍射识别机理，实现对任意模式轨道角动量的模式识别，整体实现对多模式轨道角动量光束的同时模式识别。

技术领域

本发明涉及光通信技术，尤其涉及一种基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别系统。

背景技术

轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)光束也称为涡旋光束，是指其波前包含一个螺旋相位结构，且光场强度分布呈现为圆环结构特点；OAM光束的螺旋相位函数表达式为exp(ilθ)，其中，θ是角坐标，l是方位角指数，l的大小数值决定了OAM光束的拓扑荷数。理论上，OAM光束的拓扑荷数可以任意的改变，并且不同的OAM状态彼此正交。由于OAM光束具有这些独有的特性，使其在光学操作、遥感技术、光学镊子、量子信息技术和自由空间光通信等方面有着很大的潜在应用价值。因此，精确测量OAM光束的拓扑荷数，包括OAM模式的数值和模式的正负，对于OAM光束在各领域中的应用与研究有着重要意义。

近年来，关于OAM光束在光通信中的应用研究已经吸引诸多学者们的关注。在传统的OAM光通信的研究中，人们普遍利用空间光调制器实现对光场的调控。随着光通信的发展，数字微镜设备具备光场超强调控性能等优点被利用到了OAM光束的产生中，而数字微镜设备应用于OAM光束模式识别的研究鲜有报道。在光通信中，不同拓扑荷数的OAM光束可以实现模式复用通信，对多模式复用的OAM进行模式识别是光通信等应用研究中的重要一环，也是亟待解决的难题。现阶段，OAM光束模式识别研究主要还局限于对单模式OAM光束的模式识别，对双模式或其以上多模式的OAM光束模式识别的研究鲜有报道。一般OAM光束的相位分布图能很好地揭示OAM光束的模式信息，其包含OAM光束的拓扑荷数，但是在实际检测中OAM光束的相位很难获取，因而通过研究其光场分布来测量OAM光束的模式状态将变得相对容易。OAM模式识别方法大致分为两种，一种为干涉识别法，另一种为衍射识别法。干涉识别法主要是利用Mach-Zehnder干涉仪使两种模式数相反的OAM光束进行干涉，通过观测干涉后的图案规律，能精准地测量出OAM光束模式的数值，但该方法不能识别出OAM光束模式的正负。衍射识别法主要是一种利用光栅衍射来实现对OAM模式的识别，其原理是将OAM光束照射在加载了特定光栅的空间光调制器上，通过光束的衍射能得到具有规律性的衍射图案，对衍射图案中明暗条纹分布规律的分析，实现OAM对光束模式测量。局限的使用干涉或者衍射识别的方法难以解决多模式OAM光束模式识别的问题，其主要原因在于复用光束在进行干涉或衍射时，不同模式的OAM光束之间存在着严重串扰，而且这种串扰难以消除。以上的方法思路简便，实际链路的搭建较为简单，但是同一时间只能识别一种OAM光束，难以实现对多模式复用的OAM光束进行模式识别。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的技术存在的缺点和不足，提供一种基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别系统。该系统突破传统的OAM光束模式识别的方法，结合光束分离技术和衍射识别技术，实现对多模式OAM光束的模式识别。同时本发明利用价格便宜性能较好的数字微镜设备来代替价格昂贵的空间光调制器实现OAM模式识别，同时，这种方法与当前已有的实现OAM模式识别的方法相比，具有多模式识别优势。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体实现如下：

一、基于数字微镜的通信光束轨道角动量模式的识别系统(简称系统)

本系统包括He-Ne激光器、第1分束器、第1空间光调制器、第2空间光调制器、第2分束器、第1数字微镜设备、第2数字微镜设备、第3数字微镜设备、透镜和电荷耦合摄像机；