[发明专利]一种基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量方法及系统，通过位于输入平面的相位板将入射光场在输入平面沿着螺旋线的路径映射到输出平面的直线上；而位于输出平面的相位板则补偿光场在上述变换过程中从输入平面传播到输出平面时所累积的相位，从而实现将输入平面处的待测光子轨道角动量模式变换成输出平面处具有特定倾斜波前的平面波模式；进而通过凸透镜将具有不同倾斜波前的平面波模式聚焦到焦平面上的不同位置，从而实现待测的光子轨道角动量模式与空间位置的一一对应和探测。本发明有效克服由于解调光斑展宽引起的相邻模式串扰问题，在保持高解调效率的同时进一步实现高分辨率的光子轨道角动量模式测量。

技术领域

本发明涉及光通信应用的空间模式复用/解复用领域，更具体地，涉及基于螺旋变换的光子轨道角动量模式测量方法及系统。

背景技术

随着以互联网为核心的包括移动互联网、物联网、云计算、大数据等在内的一整套信息技术的发展，信息的高速膨胀对光通信系统的信息传输容量提出了巨大的需求。鉴于目前传统的信道复用技术包括波分复用、时分复用和偏振复用等带来的通信容量提升已接近极限，基于空域的模分复用技术来实现通信容量的再一次大幅提升已成为当前通信领域的重要研究方向之一。空域的模分复用是利用光场在空间上存在相互正交的本征模式，每一个空间模式可以作为一个独立的信道进行信号传输，从而大幅度地提高通信系统的传输容量。近些年来受到人们广泛关注的模分复用方案之一则是基于携带光子轨道角动量(Orbital angular momentum，OAM)的涡旋光束，利用涡旋光束进行光通信的设想最早于2004年提出，随后基于OAM模式复用的大容量通信实验相继在自由空间光通信系统和光纤通信系统进行了演示。然而推动这一OAM通信系统走向实用化仍有赖于开发出更为集成、高效的OAM产生、复用、传输、解复用和探测技术。

OAM解复用器是OAM通信系统中的核心器件之一，其功能是对共轴传输的不同OAM模式在空间上进行分离，使得不同OAM模式及其携带的信息可以互不干扰地被处理和探测。目前几种典型的OAM解复用方法包括：(1)干涉方法，如利用一对道威棱镜可以高效(理论上接近100％)分离奇偶OAM模式，但如果要进一步分离所有不同OAM模式，则需要级联多个光学元件，使得整个系统非常复杂；(2)全息法，它是利用全息图中特殊设计的衍射光栅将不同OAM模式解调成不同衍射级上的高斯模式，由于只需要一个相位全息图因而实现上最为简单，但其缺点则是解调效率的理论上限仅为1/N，其中N为解调的OAM模式数，即解调效率随着解调模式数的增加而减小，不利于向上拓展；(3)集成光子芯片，通过光栅耦合器将空间涡旋光耦合进波导后利用阵列波导光栅将其螺旋相位转换成线性相位从而耦合到不同的输出波导，其优点是作为片上OAM解复用器有利于大规模集成，但由于器件复杂制作难度大，并且由于光栅耦合器的受光面积有限使得最终整体解调效率非常低。

相比之下，基于光学坐标变换的OAM模式解复用方案则同时具有解调效率高(理论上100％)和实现相对容易(只需两个相位板)等优点，因而是当前非常重要且最具潜力的解复用方案之一。其中对数极坐标变换是目前为人们熟知的唯一一种可用于实现OAM解复用的光学坐标变换，它的原理是将OAM模式的角向螺旋相位变换为横向的线性相位，对应于具有不同倾斜波前的平面波模式，进而利用一个凸透镜就可以将不同模式聚焦在焦平面上的不同位置实现模式分离。然而由于这一变换方案是将光场沿着封闭的圆形路径展开，打破了角向无限循环的特点，因而解调后的OAM模式在空间上会被展宽，导致相邻模式的解调光斑之间具有显著重叠，引起模式之间的串扰。

发明内容

为解决现有对数极坐标变换方案的局限性，本发明提出了一种新的光学坐标变换方案用于OAM模式解复用。相对于现有对数极坐标变换中沿着封闭的圆形路径将OAM模式的角向相位变换为线性相位，本发明沿着螺旋线的路径进行光场变换因而可以从OAM模式的波前中提取更多的相位变化，且理论上仅受限于OAM光斑的大小，从而可以克服解调后的OAM光斑的展宽导致的相邻模式串扰问题，在保持高解调效率的同时进一步实现高分辨率的光子轨道角动量模式分离，因而具有更大的实用潜力。