[发明专利]基于空间滤波的收发共模耦合大气光信道收发模调控方法

说明书

本发明公开一种基于空间滤波的收发共模耦合大气光信道的收发模调控方法。本方法使用4f相干光学处理系统和光学傅里叶变换来实现收发共模耦合大气光信道的光场信号接收和发送，利用空间滤波来实现对收发横向空间模的调控。使用本方法能使收发共模耦合大气光信道的收发横向空间模不再仅局限于用单模光纤实现的近似高斯空间模，可为通过实验方式研究使用非高斯横向空间模时的收发共模耦合大气光信道的光信号衰落特性提供支持。

技术领域

本发明属于光信息传输技术领域，涉及一种基于空间滤波的收发共模耦合大气光信道的收发模调控方法。

背景技术

申请号为201811370939.1的中国发明专利公开了一种从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法。在信道两端从双向大气光信道的信号衰落中提取共享随机比特的前提是，双向大气光信道具有良好互易性，即两个相反传输方向上的信号衰落保持良好的统计相关。《Optics Express》2018年26卷13期16422～16441页的论文证明了使用收发共模耦合(common-transverse-spatial-mode coupling)的双向大气光信道能保持良好互易性。收发横向空间模可以设计为高斯模，在实际中高斯模可以用单模光纤来近似实现。如果在实际应用中需要使用其他形式的收发横向空间模，则直接用单模光纤实现非高斯空间模并不方便。

图1所示为4f相干光学处理系统，薄凸透镜L₁和薄凸透镜L₂具有相同的参数，它们的焦距为f，输入平面上的光场为U_i(r₁)，r₁表示垂直于光轴的平面上的一个二维向量(对应一个二维点)。根据Cambridge University Press 2011年出版的《Mathematical Methodsfor Optical Sciences》的11.8节和SPIE Press 2010年出版的《Numerical Simulationof Optical Wave Propagation with Examples in MATLAB》的3.2节，如果在中间平面上增加一个光学透过率为的光衰减片，其中为实函数，则输出平面上的光场U_o(r₃)为：

其中，星号表示求复共轭，r₂和r₃各表示垂直于光轴的平面上的一个二维向量(对应一个二维点)，T(r₁)表示的逆傅里叶变换，κ表示二维空间圆频率向量，k表示光波波数。光衰减片对从输入平面入射的光场起空间滤波作用。在输出平面的光轴位置，即r₃≡0，有：

可以发现式(2)的右边正好表示输入光场U_i(r₁)与空间模T(r₁)的相干耦合系数。因此，把一个点探测器放在输出平面的光轴位置，该点探测器的输出电信号应该和从输入光场U_i(r₁)耦合进入空间模T(r₁)的功率成比例，这实际上实现了对输入光场信号的空间模耦合接收与探测。

如图2所示，输出平面光场是输入平面光场的傅里叶变换，薄凸透镜L₃的焦距为f，如果在其中的输入平面上增加一个光学透过率为的光衰减片，同时用平面波照射到输入平面上，则输出平面上的光场u_o(r₅)∝T(r₅)，r₄和r₅各表示垂直于光轴的平面上的一个二维向量(对应一个二维点)。这实际上等效于用光学透过率为的光衰减片把平面波模场转换成空间模场T(r₅)。