[发明专利]轨道角动量光传输中大气湍流失真补偿系统及其方法

说明书

本发明公开了一种轨道角动量光传输中大气湍流失真补偿系统及其方法，涉及轨道角动量光通信技术。本系统是：偏振分束器（1）、分束器（2）、电荷耦合摄像机（3）和FPGA板（4）依次连通，实现信号光束的模式识别；FPGA板（4）和空间光调制器（5）连通，分束器（2）和90°光学混频器（6）连通，偏振分束器（1）、空间光调制器（5）、90°光学混频器（6）和光电探测器（7）依次连通，完成信号光束的湍流补偿。与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：①不仅简化了补偿系统结构，而且降低了在实际通信中应用的操作难度；②在实现多模复用OAM光束的模式识别的同时完成对信号光束的补偿。

技术领域

本发明涉及轨道角动量光通信技术，特别涉及一种轨道角动量光传输中大气湍流失真补偿系统及其方法。

背景技术

轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)光束，是一种光强分布呈圆环状且其波前具有螺旋相位结构的光束。其螺旋相位可以用函数exp(ilθ)来表达，其中，θ是角坐标，l是方位角指数也被定义为OAM光束的拓扑荷数。不同模式的OAM光束即为l不同的OAM光束。理论上，l可以取任意值，OAM光束有无限模式，且不同模式之间相互正交。利用不同模式OAM光束正交这个特性，可以将不同模式OAM光束进行复用，从而增加通信信道容量。

目前OAM光束在自由空间光通信中的应用备受关注。在光通信中，可以将不同模式的OAM光束在发送端进行复用。复用后的OAM光束经大气湍流传播一段距离后到达接收端。而OAM光束在大气湍流中传播时，会受湍流影响产生湍流畸变，导致系统的通信性能下降，这是其在光通信中应用的一大阻碍。为了克服这种大气湍流畸变带来的影响，从光学角度来看，常见的湍流补偿做法是采用自适应光学系统对畸变光束进行波前矫正，从而提高系统通信性能。2014年，南加州大学Yongxiong Ren等人提出了一套哈特曼自适应光学补偿系统来校正波前畸变，他们利用基模高斯光束作为“探针”光束，求得波前畸变情况后对OAM光束进行校正。但是自适应光学补偿系统需要动态地控制矫正模块完成对光束的矫正，存在结构复杂，成本高，不易在实际应用中推广的问题。从光电结合方向来看，2018年湖北省智能无线通信重点实验室杨春勇等人提出一种光电结合的湍流补偿方案，他们采用辅光共路相干检测技术进行补偿——将高斯光束作为辅助光束与OAM光束共路传播一段距离后，对高斯光束进行模式选择，再利用相干检测技术完成湍流补偿。虽然该系统相对自适应光学系统较为简便，但在系统接收端，对高斯光束进行相位匹配前无法得知复用OAM光束的模式，需将高斯光束分为多束进行并行相位匹配，来选择特定模式OAM光束，所以该补偿系统结构仍较为复杂度，存在成本较高，不易于实验操作和实际通信中应用等问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术普遍存在的结构复杂、成本高且操作难度大的缺点，提供一种轨道角动量光传输中大气湍流失真补偿系统及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

本系统不需要复杂的矫正模块，简化了高斯光束相位匹配模块。本发明在对湍流进行补偿前实现了畸变复用OAM光束的模式识别，并利用模式识别信息完成高斯光束相位匹配，选出特定模式的OAM光束；相比现有的自适应光学湍流抑制方案和传统的辅光共路相干检测湍流抑制方案，本发明具有结构简单、成本较低、操作难度低等优点，且更便于在实际通信场合中推广和应用。

具体地说，本发明的技术方案是：

一、轨道角动量光传输中大气湍流失真补偿系统(简称系统)

本系统包括偏振分束器、分束器、电荷耦合摄像机、FPGA板、空间光调制器、90°光学混频器和光电探测器；

其连通关系是：

偏振分束器、分束器、电荷耦合摄像机和FPGA板依次连通，实现信号光束的模式识别；