阅读说明：本技术 一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用方法及系统 (Space division multiplexing and demultiplexing method and system based on self-accelerating plane wave beam ) 是由 陈钰杰 林树青 闻远辉 余思远 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用方法,该方法包括：对光纤中出射的光场扩束并对扩束后的光场进行空间相位调制和一维空间傅里叶变换,得到自加速平面波光束模式；将自加速平面波光束模式经过一维空间傅里叶变换后进行空间相位解调制,并将解调制后的光场经过二维空间傅里叶变换得到分离后的光场。该系统包括：复用模块和解复用模块。通过使用本发明,可以提升通信容量和提高空间利用率。本发明作为一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用方法及系统,可广泛应用于光通信应用领域。(The invention discloses a space division multiplexing and demultiplexing method based on self-accelerating plane wave beams, which comprises the following steps: expanding the light field emitted from the optical fiber, and performing spatial phase modulation and one-dimensional spatial Fourier transform on the expanded light field to obtain a self-accelerating plane wave light beam mode; and performing one-dimensional spatial Fourier transform on the self-accelerating plane wave beam mode, then performing spatial phase demodulation, and performing two-dimensional spatial Fourier transform on the demodulated light field to obtain a separated light field. The system comprises: a multiplexing module and a demultiplexing module. By using the invention, the communication capacity can be improved and the space utilization rate can be improved. The space division multiplexing and demultiplexing method and system based on the self-accelerating plane wave beam can be widely applied to the field of optical communication application.)

一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信应用领域，尤其涉及一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用方法及系统。

背景技术

自2007年艾里光束第一次在实验中被观测以来，以其为代表的自加速光束由于可弯曲、可自愈等特性，受到了光学研究者的瞩目，并在诸多场合取得实际应用。当自加速光束作为载体被应用到自由空间光通信时，其弯曲性可发挥灵活绕越障碍的优势，其自愈性显现出抗干扰的能力，因此可以适应不同的自由空间场景。而在已有的相关研究中，信号传输局限于单个通道，和现有的其他自由空间光通信相比，通信容量受限，对空间的资源利用率也不高。随着焦散线设计方法的提出和发展、魏格纳函数对轨迹及其光场角谱和场分布的联系统一，自加速光束的构造手段大大丰富，研究者得以使空间中的光束沿着更加灵活多样的弯曲轨迹进行传输。设计方法包括对光场的幅值和相位进行调控，而常见的调制器件为相位板、空间光调制器等相位调制器件，因此构造过程分为在空间实域和频域的操控，实域的操纵用相位调制器件直接对光场相位进行作用，频域的操纵凭借透镜的傅里叶变换功能把傅里叶空间相位调制作用到实空间光场的幅值上。对自加速光束的研究注意力大都集中在轨迹的灵活设计，而在早年的研究工作中，发现了从波动方程解出的一系列正交艾里光束族。弯曲光束空间模式的正交性可以被用于拓宽有限空间中传输的光束模式数，但却未有关于这些正交模式的深入研究和利用，如模式产生、复用和解复用方面。

模分复用对于提升通信容量，提高空间利用率，有着可观的发展应用前景。在多模复用网络中，模式的产生、复用以及解复用都依赖于模式精准操控，其中最基本的是实现光纤中高斯模式与空间中传输模式的转换。模式转换的关键指标在于模式转换的高效率、低损耗和低串扰。现有的自由空间光通信复用/解复用环节依赖于多次相位调控，大多具有庞杂的光学系统，既对对准精度有极高要求，又由于光场经过多个光学元件而产生不可忽略的能量损耗

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用方法及系统，基于简洁光路实现空分复用，提升通信容量和提高空间利用率。

本发明所采用的第一技术方案是：一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用方法，包括以下步骤：

对光纤中出射的光场扩束并对扩束后的光场进行空间相位调制和一维空间傅里叶变换，得到自加速平面波光束模式；

将自加速平面波光束模式经过一维空间傅里叶变换后进行空间相位解调制，并将解调制后的光场经过二维空间傅里叶变换得到分离后的光场。

进一步，所述所述对光纤中出射的光场扩束并对扩束后的光场进行空间相位调制和一维空间傅里叶变换，得到自加速平面波光束模式这一步骤，其具体还包括：

将各路从光纤出射的高斯光斑扩束并入射到第一空间光调制器进行空间相位预调制，得到空间相位预调制后的各模式光场；

将空间相位预调制后的各模式光场合束并经过第一柱透镜进行一维空间傅里叶变换，生成自加速平面波光束模式。

进一步，所述高斯光斑的中心与第一空间光调制器的中心对准，光轴与第一空间光调制器的平面垂直。

进一步，所述第一空间光调制器上加载有相位图案，相位图案表达式如下：

M(x₁,y₁)＝[iΦ(x₁)+iωy₁]

所述Φ(x₁)是x₁维度上弯曲轨迹对应的初始频谱相位，所述i是虚数单位，所述ω是y₁维度上线性相位系数，所述M(x₁,y₁)是相位图案，所述x₁和y₁代表第一平面的维度。

进一步，所述将自加速平面波光束模式经过一维空间傅里叶变换后进行空间相位解调制，并将解调制后的光场经过二维空间傅里叶变换得到分离后的光场这一步骤，其具体包括：

将自加速平面波光束模式经过第二柱透镜进行一维空间傅里叶变换，得到携带叠加相位的高斯光斑；

通过第二空间光调制器将高斯光斑在x维度的相位补偿，得到y维度携带线性相位的高斯包络光场；

将高斯包络光场经过球透镜进行二维空间傅里叶变换，得到分离后的光场。

进一步，所述通过第二空间光调制器将高斯光斑在x维度的相位抵消具体为第二空间光调制器在x维度加载频域补偿相位将高斯光斑在x维度的相位抵消，所述补偿相位表达式如下：

D(x₃,y₃)＝exp[-iΦ(-x₃)]

所述，所述x₃和y₃代表第三平面的维度。

本发明所采用的第二技术方案是：一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用系统，包括：

复用模块，用于对光纤中出射的光场扩束并对扩束后的光场进行空间相位调制，合束并进行一维空间傅里叶变换，得到自加速平面波光束模式。

解复用模块，用于将自加速平面波光束模式经过一维空间傅里叶变换后进行空间相位解调制，并将解调制后的光场经过二维空间傅里叶变换得到分离后的光场。

进一步，所述复用模块包括扩束模块、第一空间光调制器、合束模块和第一柱透镜，所述解复用模块包括第二柱透镜、分束模块、第二空间光调制器和球透镜，所述第一空间光调制器的预调制平面位于第一柱透镜的前焦面，所述第二空间光调制器的解调制平面位于第二柱透镜的后焦面，所述第二空间光调制器的解调制平面位于球透镜的前焦面。

进一步，还包括光强探测模块，所述光强探测模块的光强探测平面位于球透镜的后焦面。

进一步，所述第一柱透镜的前焦面和后焦面的光场满足一维空间傅里叶变换的关系，所述第二柱透镜的前焦面和后焦面的光场满足一维空间维傅里叶变换的关系，所述球透镜的前焦面和后焦面的光场满足二维空间傅里叶变换的关系。

本发明方法及系统的有益效果是：本发明通过相位预调制将单模光纤输出的光转换为自加速平面波光束，合并到一个空间信道中同时传输，提高空间中的通道数量，再通过解复用将一起传输的信号分离出来，达到提高通信容量和空间利用率的效果。

附图说明

图1是本发明一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用方法的步骤流程图；

图2是本发明具体实施例的步骤流程图；

图3是本发明一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用系统的结构框图；

图4是本发明具体实施例的装置结构图。

附图说明：1、激光器；2、扩束透镜组；3、第一空间光调制器；4、分束器；5、第一柱透镜；6、第二柱透镜；7、第二空间光调制器；8、球透镜；9、摄像机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

为了提高自由空间弯曲光束通信的资源利用率，本发明利用正交的自加速平面波光束作为复用空间模式，通过相位调制模块和傅里叶变换模块的合理配置，高效实现同个模式族的模式产生、复用和解复用。在保留自加速光束的灵活性和自愈性的同时，增加传输数据的模式数，作为一种空分复用技术，大大丰富了自由空间自加速光束通信的自由度。

如图1所示，本发明提供了一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用方法，该方法包括以下步骤：

S101、对光纤中出射的光场扩束并对扩束后的光场进行空间相位调制和一维空间傅里叶变换，得到自加速平面波光束模式。

具体地，将光线中输出的高斯光斑进行扩束，入射到第一空间光调制器3，扩束后的高斯光斑应覆盖在第一空间光调制器3上足够多的像素点以携带足够的相位信息。

S102、将自加速平面波光束模式经过一维空间傅里叶变换后进行空间相位解调制，并将解调制后的光场经过二维空间傅里叶变换得到分离后的光场；

进一步作为本方法的优选实施例，所述对光纤中出射的光场扩束并对扩束后的光场进行空间相位调制和一维空间傅里叶变换，得到自加速平面波光束模式这一步骤，其具体还包括：

将各路从光纤出射的高斯光斑扩束并入射到第一空间光调制器3进行空间相位预调制，得到空间相位预调制后的各模式光场；

具体地，所述第一空间光调制器3上加载混合相位M(x₁,y₁)，x维度相位分布为涉及自加速光束轨迹的频域相位，y维度为模式对应的线性分布，从而将扩束后的高斯光斑预调制为带有混合相位的高斯包络光场。

将空间相位预调制后的各模式光场合束并经过第一柱透镜5进行一维空间傅里叶变换，生成自加速平面波光束模式。

具体地，将预调制后的各路光场合束，合束光场经过第一柱透镜5做x维度的一维傅里叶变换，在第一柱透镜5的后焦面产生自加速平面波光束模式。

其中，单个自加速平面波光束模式的截面光场表达式如下：

对应x维度上弯曲光束在其初始平面的一维场分布，所述模式在x维度按照预设的轨迹弯曲，y维度保留特定线性系数的线性相位。

进一步作为本方法的优选实施例，所述高斯光斑的中心与第一空间光调制器3的中心对准，光轴与第一空间光调制器3的平面垂直。

进一步作为本方法优选实施例，所述第一空间光调制器3上加载有相位图案，相位图案表达式如下：

M(x₁,y₁)＝[iΦ(x₁)+iωy₁]

所述Φ(x₁)是x₁维度上弯曲轨迹对应的初始频谱相位，所述i是虚数单位，所述ω是y₁维度上线性相位系数，所述M(x₁,y₁)是相位图案，所述x₁和y₁代表第一平面的维度。

进一步作为本方法优选实施例，所述将自加速平面波光束模式经过一维空间傅里叶变换后进行空间相位解调制，并将解调制后的光场经过二维空间傅里叶变换得到分离后的光场这一步骤，其具体包括：

将自加速平面波光束模式经过第二柱透镜6进行一维空间傅里叶变换，得到携带叠加相位的高斯光斑；

通过第二空间光调制器7将高斯光斑在x维度的相位补偿，得到y维度携带线性相位的高斯包络光场；

将高斯包络光场经过球透镜8进行二维空间傅里叶变换，得到分离后的光场。

具体地，将自加速平面波光束模式经过第二柱透镜6，在第二柱透镜6后焦面恢复为携带叠加相位的高斯包络，在第二空间光调制器7进行相位补偿，将相位补偿后的高斯包络光场经过球透镜8，由于方向上的线性相位，使得光场被聚焦到球透镜8的后焦面上，球透镜8的前焦面与后焦面的光场满足空间傅里叶变换的关系，所述光场被聚焦到球透镜8的后焦面上的位置(x₄＝0,y₄＝a)，所述a表达式如下：

a＝λfω

所述λ是光的波长，所述f是球透镜8的奇偶局，所述ω是模式线性相位系数。

进一步作为本方法优选实施例，所述通过第二空间光调制器7将高斯光斑在x维度的相位抵消具体为第二空间光调制器7在x维度加载频域补偿相位将高斯光斑在x维度的相位抵消，所述补偿相位表达式如下：

D(x₃,y₃)＝exp[-iΦ(-x₃)]

所述x₃和y₃代表第三平面的维度，所述补偿相位D(x₃,y₃)和预调制相位在x维度满足抵消关系。

如图3所示，一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用系统，包括：

复用模块，对光纤中出射的光场扩束并对扩束后的光场进行空间相位调制，合束并进行一维空间傅里叶变换，得到自加速平面波光束模式。

解复用模块，用于将自加速平面波光束模式经过一维空间傅里叶变换后进行空间相位解调制，并将解调制后的光场经过二维空间傅里叶变换得到分离后的光场。

进一步作为本系统的优选实施例，所述复用模块包括扩束模块、第一空间光调制器3、合束模块和第一柱透镜5，所述解复用模块包括第二柱透镜6、分束模块、第二空间光调制器7和球透镜8，所述第一空间光调制器3的预调制平面位于第一柱透镜5的前焦面，所述第二空间光调制器7的解调制平面位于第二柱透镜6的后焦面，所述第二空间光调制器7的解调制平面位于球透镜8的前焦面。

具体地，所述第一空间光调制器3用于发射端的预调制，加载有光束x维度弯曲轨迹的频谱相位与y维度线性相位叠加的混合相位，所述第二空间光调制器用于接收端的解调制，加载有x维度频谱相位的补偿图案。

进一步作为本系统的优选实施例，还包括光强探测模块，所述光强探测模块的光强探测平面位于球透镜8的后焦面。

进一步作为本系统的优选实施例，所述第一柱透镜5的前焦面和后焦面的光场满足一维空间傅里叶变换的关系，所述第二柱透镜6的前焦面和后焦面的光场满足一维空间维傅里叶变换的关系，所述球透镜8的前焦面和后焦面的光场满足二维空间傅里叶变换的关系。

具体地，实施例装置参照图4，所述光强探测模块可由摄像机或光纤阵列构成，通过拍摄图像或者耦合光场进入不同光纤来获取光强分布信息，本方案的光强探测模块采用相机，所述第一空间光调制器3、第二空间光调制器7、第一柱透镜5和第二柱透镜6摆放为4f系统。

本系统的具体实施例如下：

参照图4，一种基于自加速平面波光束的空分复用和解复用系统，包括激光器1、扩束透镜组2、第一空间光调制器3、合束模块、第一柱透镜5、第二柱透镜6、第二空间光调制器7、分束模块、球透镜8和摄像机9，所述合束模块和分束模块采用分束器4，所述第一空间光调制器3的预调制平面位于第一柱透镜5的前焦面，所述第二空间光调制器7的解调制平面位于第二柱透镜6的后焦面，所述第二空间光调制器7的解调制平面位于球透镜8的前焦面。

本具体实施例以一个模式的产生和经历解复用器的过程作阐述，同理可通过增加激光器1、扩束透镜组2和第一空间光调制器3的数量以实现其他模式的产生和合束过程。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。