[发明专利]一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法及系统

说明书

本发明公开一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法及系统，包括：通过调节拉盖尔高斯光束的轨道角动量和相位差，将不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束在相位差模式下叠加，以将待传输数字信号编码为复合涡旋光束；通过模拟的大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，以此构建大气湍流相位屏；通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟，并获取复合涡旋光束传输后的光斑，采用训练后的解码器对光斑进行解码得到待传输数字信号。使用不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束叠加形成复合涡旋光束，通过调控涡旋光束间的相位差使叠加光强发生变化，实现使用有限的拓扑荷提高通信的信道容量，增强译码准确率，提高光通信系统的可靠性。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着信息技术的发展，物联网、大数据、元宇宙等技术的出现，人们对数据的需求量急剧增加。急剧增长的频谱需求与有限的频谱资源的矛盾越来越突出，迫切的需要一种新的高速率、大容量、高稳定的通信系统来提高频谱效率，扩大信道容量。涡旋光束具有螺旋的波前相位，它的螺旋相位exp(ilθ)，(l为拓扑荷数或轨道角动量模式值，θ为方向角)，轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)模式值理论上是无限的，且携带不同OAM的光束之间相互正交，将OAM光束应用到自由空间光通信中能够极大地提高通信系统的信道容量。然而，大拓扑荷的涡旋光束存在产生困难且不容易接收解调的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法及系统，使用不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束叠加形成复合涡旋光束，通过调控涡旋光束间的相位差使叠加光强发生变化，实现使用有限的拓扑荷提高通信的信道容量，增强译码准确率，提高光通信系统的可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法，包括：

通过调节拉盖尔高斯光束的轨道角动量和相位差，将不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束在相位差模式下叠加，以将待传输数字信号编码为复合涡旋光束；

通过模拟的大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，以此构建大气湍流相位屏；

通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟，并获取复合涡旋光束传输后的光斑，采用训练后的解码器对光斑进行解码得到待传输数字信号。

作为可选择的实施方式，叠加过程包括：采用轨道角动量相差为2的拉盖尔高斯光束进行共轴叠加得到复合涡旋光束，通过调节相位差改变复合涡旋光束的光强。

作为可选择的实施方式，采用轨道角动量为3和5的两束拉盖尔高斯光束进行共轴叠加。

作为可选择的实施方式，大气湍流相位屏的构建过程包括：根据功率谱反演法模拟大气湍流，通过大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，根据随机相位屏的相位功率谱得到随机相位屏的相位谱方差，根据随机相位屏的相位谱方差构建大气湍流随机相位屏。

作为可选择的实施方式，在模拟光束传输时，设置的模拟参数包括光束束腰、波长、径向指数、轨道角动量、大气湍流的强度、大气湍流的内尺寸、大气湍流的外尺寸、相位屏分辨率和相位屏之间的间隔。

作为可选择的实施方式，采用预训练的卷积神经网络构建所述编码器，具体包括一个7×7的卷积层、一个最大池化层、一个由恒等块和卷积块构成的残差块和一个全局平均池化层。

作为可选择的实施方式，所以残差块包括一个卷积块和多个恒等块串联而成，卷积块包括四个卷积层，恒等块包括三个卷积层，且恒等块串联连接。

第二方面，本发明提供一种基于复合涡旋光束的编码光通信系统，包括：