[发明专利]一种用于提高通信容量的多模式叠加光束的产生方法

说明书

本发明公开的一种用于提高通信容量的多模式叠加光束的产生方法，属于光通信领域。本发明通过多值变异算子对粒子群算法的粒子速度进行自适应的变异操作，设计基于自适应变异粒子群的多模式叠加涡旋光束生成算法，改变传统产生算法中不同OAM模式的初始系数按预期比例赋值的思路，解决叠加模式过多时无法符合预期模式分布的问题，提高涡旋光束中不同OAM模式的均匀性和产生的模式数目，降低与预期功率分布的相关均方根误差系数，提高涡旋光栅的能量转换效率，增加OAM光通信系统中可用的OAM通道数目，同时提高生成迭代算法的迭代速率，进而提高多模式叠加涡旋光束生成产生效率。本发明能够高效、高精度生成多模式叠加涡旋光束。

技术领域

本发明属于光通信领域，涉及一种用于提高通信容量的多模式叠加光束的产生方法。

背景技术

轨道角动量(OAM)自从被Allen提出后就成为了光学领域的研究热点，经过将近30年的研究，OAM在不同的领域得到了广泛的应用，如光通信、光学操纵、光学俘获、光学镊子、光学涡旋结、成像和量子信息处理。

OAM光束又称为涡旋光束，其一大特性是独特的空间正交性，即具有不同拓扑荷数(Topological Charge)的OAM模式在空间上彼此正交。不同拓扑荷数的OAM光束不仅相互正交的，并且理论上拓扑荷取值可以为任意整数。因此，OAM为通信系统提供了一个新的自由度，不论是利用OAM态编码还是利用OAM光束作为载波实现模分复用，都可以有效提升通信系统的容量。在基于OAM的通信系统中，涡旋光束的生成是将其应用到光通信领域的重要基础，产生纯度更高、能量效率更高的多模式叠加涡旋光束是提高大容量通信质量的重要前提。

目前国内外的研究人员在涡旋光束生成这一研究领域进行了深入的研究，提出了多种涡旋光束生成方法。按照涡旋光束携带OAM模式数目的多少可以划分为产生单个OAM模式和产生多个OAM模式两个方面。一般对同时携带大量OAM模式的涡旋光束称为多模式叠加的涡旋光束或者多模混合涡旋光束。在产生单一OAM模式时，目前使用较多的方法包括螺旋相位板(Spiral Phase Plate,SPP)和叉形光栅(Fork-like Grating)。这两种方法产生的OAM模式的拓扑荷与螺旋相位板的厚度以及叉形光栅出射阶次相关，可以通过改变螺旋相位板的厚度以及叉形光栅的内部结构来产生不同的OAM模式。可是这种产生单一模式的方法在实际光通信系统中会随着模式复用数目的增多而受到成本以及系统复杂度与可行性的限制。目前产生多模式叠加涡旋光束的方法主要有合束法、干涉仪法和相位光栅法等。合束法通过提前产生多个单一阶次的OAM光束，然后利用分光棱镜完成同轴合束，从而获得多模混合涡旋光束。这种方法光路复杂，操作难度较大。研究人员进而提出了使用干涉仪获取多模叠加光束的方法。通常使用的干涉仪有萨奈克干涉仪、迈克耳孙干涉仪等。干涉仪法可以获得双模叠加的涡旋光束，但对于产生两个以上模式的情况，其应用也不理想。相位光栅法与前两者对比，避免了复杂的光路调节、系统复杂的问题，只需要一个纯相位衍射光栅便可以完成入射高斯光束向多模叠加涡旋光束的转换。与振幅型光栅(如叉形光栅等)相比，利用纯相位衍射光栅生成多模式叠加涡旋光束的衍射效率大大提高。

然而，利用纯相位光栅产生多模式叠加涡旋光束时，由于只发生相位调制，部分入射光束的丢失是无法避免的，这会导致无法按照要求产生特定能量比例的叠加拓扑荷组合，光栅的能量转换效率会大大受到限制。为了解决这一问题，Lin等人在2005年提出了一种自发优化算法，通过实验验证成功地产生了4个OAM模式。他们指出，通过迭代算法产生叠加态涡旋光束时，可产生的OAM模式数目会受到算法自身产生的噪声OAM模式的限制，导致基于OAM光通信的通道数目有一个实际的上限。之后研究人员在Lin的迭代算法基础上进行创新和改进，不断增加可产生的OAM模式数目，并在减小噪声模式的功率和控制每个模式的功率分布方面进行了深入的研究，以尽可能大的能量转换效率、尽可能低的相对均方根误差系数，产生叠加态涡旋光束。2011年，Wang等人将传统算法与遗传算法结合，成功产生了16个光学涡旋通道。2015年，Zhu等人提出了一种模式搜索辅助迭代算法将同时产生的OAM模式数目提升到了100个，但该算法的收敛速度很慢，在模式系数的初始化过程中存在迭代效率低的问题。