[发明专利]一种基于多环涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统

说明书

本发明公开了一种基于多环涡旋光束的高维数字信号编解码的方法与系统。本发明将多环涡旋光束的轨道角动量态和径向量子数这两个相互独立的维度同时作为编码特征，进行数字信号的高维编码，在使用有限轨道角动量态的情况下，进一步提升了编码效率。此外，本发明的基于多环涡旋光束的数字信号编码与解码均可通过衍射光栅来实现，系统结构简单，易于控制，相比于现有技术具有较大进步。

技术领域：

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于多环涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统。

背景技术：

涡旋光束是一种新型结构光束，其具有螺旋形波前结构，复振幅中包含有螺旋相位因子其中l为角量子数，可以取任意整数；为角向坐标。涡旋光束的螺旋相位使得其光束中心具有相位奇点，使得其横截面光强分布呈现环形。研究表明，涡旋光束中的每一个光子均携带有轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)，其值为(为约化普朗克常量)，因此涡旋光束也称为携带有OAM的光束(OAM光束)。涡旋光束的角量子数l是涡旋光束的本征值，决定了其每一个光子所携带的OAM的多少，因此l也被称为涡旋光束的阶次或OAM态。此外，不同阶次的涡旋光束相互正交。涡旋光束的这些性质，使其在光通信、光镊、旋转探测、激光加工等领域均具有很大的应用价值。

由于不同阶次l的涡旋光束相互正交，使得同含多个不同OAM态的多模混合涡旋光束中的各个OAM成分可相互分离而互不影响。因此，将不同OAM态的涡旋光束作为载波，可以将模式复用技术引入到传统光通信中，拓展通信系统的信道容量。此外，这种基于OAM的模式复用技术还可与波分复用技术、偏振复用技术等同时实施，可将信道容量拓展至百太比特每秒的量级。此外，涡旋光束的OAM态还可以作为一个新的维度来进行信息编码，即OAM数字信号编码技术。N个不同OAM态(l₁，l₂，l₃，…，l_N，)可以看做一N进制的码元，表示一N进制数(0，1，2，…，N-1)，使得一次编码即携带有log₂N比特的信息量，相比于传统的二进制1比特编码而言，编码效率提升了log₂N倍。由于OAM态l可取无穷多个值，故理论上使一个光子承载无穷比特的信息量，大大提升光子效率。

在OAM编码技术中，虽然理论上可以取无穷多个OAM态来编码无穷比特的信息，但实际上，所使用的OAM态的数量是随着编码比特数的增加而指数型增长的，即若要实现B比特的信息编码，则需2^B个不同的OAM态。例如当B＝8时，就需要256个不同的OAM态。从涡旋光束生成探测的角度来看，首先生成高阶高纯度的涡旋光束(如|l|100)在技术上较为复杂。其次，在系统接收端必须能够识别2^B个OAM态，随着编码比特数B的增大，接收端探测系统的OAM态探测区间也会增大，对于现有技术来说不易实现。因此，采用有限的OAM态来实现更高比特信息量的编码，即用N个OAM态实现大于log₂N比特的信号编码，是当前OAM编码技术中亟需解决的问题之一。

发明内容：

有鉴于此，本发明公开了一种基于多环涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统。

本发明的基于多环涡旋光束的高维数字信号编解码方法，使用多环涡旋光束，在将其OAM态作为编码特征进行信号编码的同时，也将其径向量子数作为编码特征，使OAM编码技术与径向量子数信号编码相结合，以实现高维数字信号编码。在采用有限的OAM态的情况下，引入径向量子数这一维度，进一步提升数字信号的编码效率。

本发明的基于多环涡旋光束的高维数字信号编解码系统包括发射器和接收器两部分。其中，发射器用于实现基于多环涡旋光束的高维数字信号编码，包括激光器、偏振分光棱镜、液晶空间光调制器、4-f成像系统和准直输出镜：

所述激光器，作为光源，用以产生基模高斯光束；

所述偏振分光棱镜，置于激光器发出的激光光路中，用于生成水平方向的线偏振基模高斯光束；