[发明专利]一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及轨道角动量(OAM)信道复用及解复用技术领域，特别是指一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法和系统。 

背景技术

在过去的三十年中，光通信网络已经成为了现代通信网络的基础平台，从最初的准同步数字体系(Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH)系统，到后来的同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)系统，再到波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)系统。伴随掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA)技术的成熟，密集型波分复用(DWDM)系统在目前通信系统中的运用日益广泛。现代社会对数据的传输速率和安全性能的要求越来越高。在目前的技术条件下，光纤的带宽资源(大约100nm量级)是有限的。所以从长远来看，寻求新的通信复用的媒介和方法是大势所趋。 

光学涡旋(Optical Vortices，OV)的光波前可以沿着传播方向像螺旋形状向前传播，轴上各点由于干涉相消而强度为零。这种波前经傅里叶透镜聚焦后在焦平面上可以得到一个光亮环，其中心部分呈暗斑。光学涡旋具有两个特殊的性质，一是螺旋形波前(Helical Wavefront)，另一个是相位奇点(Phase Singularity)。根据电矢量相位在一个波长内绕光轴旋转2π，即一圈，的图数l，不同的光学涡旋用不同的拓扑荷l(Topological Charge)来表征，l一般可取任意的整数。理论和实验表明，这种光波场中的每个光子的轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是确定的，为lh。理论表明，对于不同拓扑荷的光学漩涡状态之间是正交的，可以无串扰地独立进行传播，所有的光学涡旋状态(l取从 -∞到+∞的所有整数)则构成了一个标准正交基。利用光学漩涡的正交性，可以进行光学涡旋复用，或者叫轨道角动量复用(OAM-DM)。不同拓扑荷的光学涡旋可以互不干扰地作为独立信道传输信息，由于理论上l可以取任意整数，这样就能极大地提高了通信系统的容量。 

利用不同拓扑荷的光学涡旋作为信道来传送信息，在接收端就需要一种方法有效地解调出不同信道的信息。现有的所谓的高效的光学涡旋检测手段大多是基于相位匹配的检测方法。OV的远场衍射图样为环形，且圆环半径正比于OV的拓扑荷的平方根√l，而普通的高斯光束(l＝0)的远场衍射图样为一个实心的圆斑。利用这一特点我们可以用带有拓扑荷l的OV光束照射到一个带有复共轭相位，即exp(-ilθ)的光学元件上，将OV光束转化为普通的高斯光束，再将实心的高斯光束经过一个小孔滤波器(滤掉其他拓扑荷环形的成分，只允许实心的高斯光束通过)导入光电探测器将光信号转化为电信号，进一步解调信息。如果相位图中只含有单一的exp(-ilθ)成分，则每次只能检测一个拓扑荷信息，也就是说即使系统中同时传输了N个信道的信息，在解调端也只能检测到一个信道的信息，这在实际应用中显然是效率低下的。 

有一种方法可以解决这个问题就是将这个含有多个拓扑荷成分的光束分成N束，在每一束光中加入不同的复共轭相位来检测不同OAM信道中的信息。这样做无疑是增加了系统的复杂程度，至少需要多个分束器和N个相位装置，而且在这个过程中降低了能量利用率。另一种方式是利用光栅来检测多个OAM光束。通常采用的是衍射型光栅，包括振幅型和位相型。由于振幅型光栅的衍射效率很低，能量利用率很低，所以一般选用位相型光栅。但是对于传统的位相型OV检测光栅，随着级次n的增加，较高级次的能量下降得非常迅速。由此就产生了一个严重的问题：较高级次的中心亮点的能量十分微弱。一般当|n|＞3时，中心亮点已经很难观察到，这样就严重限制了OV光通讯系统解调端的解调能力。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法和系统，利用涡旋达曼光栅来复用和解复用OAM信道，大大简化了系统的复杂程度，使系统对称化，增加了系统容量，并提高了能量利用率。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种利用光学旋涡达曼光栅复用及解复用的方法，所述方法，包括： 

多个独立的光信号源发出经过调制编码的光信号，利用耦合输出镜入射到涡旋达曼光栅上，在光栅的0级衍射方向上合成为一束同轴的光束，发送给接收端；