任意復(fù)用軌道角動量態(tài)的非破壞分離方法及其分離子系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種任意復(fù)用軌道角動量態(tài)的非破壞分離方法，屬于光學(xué)及無線通信 的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光子是信息傳遞的重要載體，光子的能量、線動量和偏振態(tài)都可作為自由度攜帶 信息。與其他自由度一樣，光子的角動量也在近幾年被證實是一種新型的信息載體。角動 量分為自旋角動量（英文名稱為spinangularmomentum,簡稱為SAM)和軌道角動量（英 文名稱為orbitangularmomentum,簡稱為0ΑΜ)兩種，其中自旋角動量與光子的極化有 關(guān)，即和偏振相關(guān)；而軌道角動量則與光子的空間分布有關(guān)。1992年，Allen等人證實了在 具有exp(ilΘ)相位因子的拉蓋爾-高斯光束（英文簡稱為LG)中，每個光子的軌道角動 量為1，其中1稱為拓撲荷（英文名稱為topologicalcharge);隨后，Gibson等人于2004 年給出軌道角動量可用于信息傳輸?shù)膶嶒烌炞C，證實了不同軌道角動量可用來表示不同的 信息，通過光束的傳輸，信息最終可以在接收端被解調(diào)、獲取，且這種傳輸方法具有很好的 安全性。2011年，Willner小組提出了一種基于復(fù)用軌道角動量態(tài)的自由空間光通信系統(tǒng) 方案，并結(jié)合LG光的極化復(fù)用和16QAM調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)了速率為1. 37Tbit/s，頻帶利用率 可達25. 6bit/s/Hz的高速通信系統(tǒng)。由于0ΑΜ態(tài)的1取值可從負無窮至正無窮，且不同1 值的0ΑΜ態(tài)之間相互正交，因此0ΑΜ態(tài)可實現(xiàn)一種類似于波長、相位等物理量的新型復(fù)用自 由度，極大地提升通信系統(tǒng)的傳輸速率和頻帶利用率。
[0003] 但是，目前在已有的復(fù)用0ΑΜ態(tài)通信系統(tǒng)中，每個0ΑΜ態(tài)的分離需由一個獨立的 檢測支路來完成，且每個獨立的檢測支路上通常需要使用一個價格昂貴的空間光調(diào)制器 (即：SLM)，這極大地增加了通信系統(tǒng)的成本，限制了數(shù)據(jù)的高速傳輸實施。如何有效、低價 的解調(diào)復(fù)用0ΑΜ態(tài)現(xiàn)成為復(fù)用0ΑΜ態(tài)系統(tǒng)可實施的關(guān)鍵問題。
[0004] 2002年，J.Leach等人提出使用多個馬赫-曾德爾干涉儀（英文名稱為 1&1(*-261111(16〇的方法對任意多的(^1態(tài)分離的方法，其效率可以達到100%。但是，當(dāng) 使用這種方法分離較多的0ΑΜ態(tài)時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將會非常復(fù)雜，且Mach-Zehnder干涉過程的實 現(xiàn)較為復(fù)雜。2010年，MartinP.J.Lavery等人提出了一種高效分離0ΑΜ態(tài)的新方法，基于 靜態(tài)光學(xué)原理，運用坐標變換將螺旋相位的光束轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向的具有相位梯度的光，再通過 透鏡將每個0ΑΜ態(tài)的光聚焦到不同的橫向位置上，從而區(qū)分不同的0ΑΜ態(tài)，但實現(xiàn)時仍需要 用到昂貴的設(shè)備一一空間光調(diào)制器，且分離完成后0ΑΜ態(tài)的空間結(jié)構(gòu)將會被破壞。2014年， LixiangChen等人提出了一種基于光的偏振性質(zhì)分離軌道角動量態(tài)的方法，該方法的實施 結(jié)構(gòu)仍比較復(fù)雜，且沒有給出分離拓撲荷相反的復(fù)用0ΑΜ態(tài)（即+1和-1復(fù)用的0ΑΜ態(tài)） 的具體方案。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于解決上述現(xiàn)有分離方法的不足，提供了一種非破壞分離任意復(fù)用 軌道角動量態(tài)的方法，該方法可以實現(xiàn)包括負1值在內(nèi)的全部軌道角動量本征態(tài)的分離， 同時能夠保證分離后每個軌道角動量態(tài)空間結(jié)構(gòu)的完整性。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種非破壞分離任意復(fù)用軌道角動 量態(tài)的方法，該方法包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :產(chǎn)生一束復(fù)用軌道角動量態(tài)光束，其中的η個正1值軌道角動量態(tài)由水平 極化光產(chǎn)生，m個負1值軌道角動量態(tài)由垂直極化光產(chǎn)生；
[0008] 步驟2:入射的復(fù)用軌道角動量態(tài)光束經(jīng)過一個極化分束器被分成兩路，其中水 平極化光進入正1值復(fù)用軌道角動量態(tài)分離系統(tǒng)，垂直極化光進入負1值復(fù)用軌道角動量 態(tài)分離系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)都是相互獨立的級聯(lián)系統(tǒng)，分別實現(xiàn)復(fù)用軌道角動量態(tài)正1值部 分和負1值部分的分離；
[0009] 步驟3:兩路光束分別進入正1值復(fù)用軌道角動量態(tài)分離系統(tǒng)和負1值復(fù)用軌道 角動量態(tài)分尚系統(tǒng)。兩個級聯(lián)系統(tǒng)的第1級子系統(tǒng)均由1個復(fù)用軌道角動量態(tài)分尚子系統(tǒng) 組成，其中核心器件道威棱鏡的放置角度均為45°。通過第1級子系統(tǒng)后，復(fù)用的軌道角動 量態(tài)會根據(jù)1值的奇偶，即以1值的差值為1，分離成兩路；
[0010] 步驟i:經(jīng)第i_l級子系統(tǒng)分離的光束有21 1路，因而第i級子系統(tǒng)由2 1 1個復(fù)用 軌道角動量態(tài)分離子系統(tǒng)組成，其中核心器件道威棱鏡的放置角度均為45° /211。通過第 i級子系統(tǒng)后，復(fù)用軌道角動量態(tài)會以1值的差值為21 1實現(xiàn)分離，共分離成2 1路。
[0011] 重復(fù)步驟i，直至所有的軌道角動量態(tài)都被分離。
[0012] 本發(fā)明的方法是以偏振光學(xué)理論為基礎(chǔ)的一種復(fù)用軌道角動量態(tài)的分離方法，以 各個獨立的軌道角動量態(tài)由線偏振光產(chǎn)生為前提，且要求具有相同的偏振方向。
[0013] 本發(fā)明上述方法應(yīng)用于分離所有包括負1值在內(nèi)的軌道角動量本征態(tài)，并保持其 空間結(jié)構(gòu)的完整性。
[0014] 本發(fā)明上述方法應(yīng)用于由復(fù)用軌道角動量態(tài)分離子系統(tǒng)級聯(lián)組成的分離系統(tǒng)。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種復(fù)用軌道角動量態(tài)分離子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)是實現(xiàn)非破壞分離 任意復(fù)用軌道角動量態(tài)方法的基本結(jié)構(gòu)。每個復(fù)用軌道角動量態(tài)分離子系統(tǒng)包括：入射光 偏振方向調(diào)整模塊、圓極化光分離模塊、相位調(diào)整模塊、圓極化光合并模塊和分離模塊。
[0016] 入射光偏振方向調(diào)整模塊的功能是：將入射的線偏振光調(diào)節(jié)為水平極化光。
[0017] 圓極化光分離模塊的功能是：實現(xiàn)水平極化光中左圓極化分量和右圓極化分量的 分離：
[0018] 相位調(diào)整模塊的功能是：同時對分離的左圓極化分量和右圓極化分量進行相應(yīng)的 相位調(diào)整（通過道威棱鏡實現(xiàn)），且相位的改變量與對應(yīng)的軌道角動量態(tài)的1值有關(guān)。數(shù)學(xué) 上可表示為
，其中α為道威棱鏡對應(yīng)兩路光 束的相對夾角。
[0019] 圓極化光合并模塊的功能是：將經(jīng)過相位調(diào)整的左圓極化分量和右圓極化分量重 新合并成一路束光，此時不同的軌道角動量態(tài)將根據(jù)各自的相位特征，即1值，投影到兩個 相互垂直的極化方向上。數(shù)學(xué)上可表示為
[0020] 分離模塊的功能是：對兩個相互垂直的極化方向上的光束進行分離。
[0021] 本發(fā)明的復(fù)用軌道角動量態(tài)分離子系統(tǒng)是由2個二分之一波片、2個四分之一波 片、2個極化分束器、4個反射鏡和1個道威棱鏡組成。每個復(fù)用軌道角動量態(tài)分尚子系統(tǒng) 只能根據(jù)1值的類型將復(fù)用的軌道角動量態(tài)分成兩組，因此若要完全區(qū)分所有的軌道角動 量態(tài)，就需級聯(lián)要多個復(fù)用軌道角動量態(tài)分尚子系統(tǒng)。對于每個復(fù)用軌道角動量態(tài)分尚子 系統(tǒng)而言，上一級子系統(tǒng)的每個輸出，都將作為下一級每個子系統(tǒng)的輸入，這種級聯(lián)結(jié)構(gòu)一 直持續(xù)到將所有的軌道角動量態(tài)分離為止。
[0022] 有益效果：
[0023] 1、本發(fā)明能夠?qū)⒑唵蔚钠窆鈱W(xué)操作應(yīng)用到對復(fù)用軌道角動量態(tài)分離的技術(shù)中， 簡化了分離的過程，降低了分離的難度。
[0024] 2、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)用軌道角動量態(tài)的非破壞性分離，即分離后保持所有軌道 角動量態(tài)結(jié)構(gòu)的完整性。
[0025] 3、本發(fā)明適用于分離所有包括負1值在內(nèi)的所有軌道角動量本征態(tài)。
[0026] 4、本發(fā)明分離效果好，所需的光學(xué)器件簡單、低廉，因而易于制造后期的設(shè)備，且 對現(xiàn)有的光通信技術(shù)具有很好的兼容性和適用性。
[0027] 5、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、組建靈活，通過增加或減少復(fù)用軌道角動量態(tài)分離子系統(tǒng)的 級聯(lián)數(shù)目和調(diào)整每個子系統(tǒng)中道威棱鏡的放置角度，即可靈活的實現(xiàn)不同復(fù)用軌道角動量 態(tài)的分離。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
[0029] 圖2為本發(fā)明分離子系統(tǒng)的工作流程圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明兩個相互正交的偏振態(tài)示意圖。
[0031] 圖4為本發(fā)明分離子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖5為本發(fā)明分尚子系統(tǒng)的級聯(lián)不意圖。
[0033] 圖6為本發(fā)明的方案示意圖1(分離8個軌道角動量態(tài)，1 = 1，2, 3,4, 5,6, 7,8)。
[0034] 圖7為本發(fā)明的方案不意圖2 (分尚16個軌道角動量態(tài)，1 = ±1，±2, ±3, ±4， ±5，±6，±7，±8)。
[0035] 圖8為本發(fā)明方案的仿真結(jié)果圖1(分離8個軌道角動量態(tài)，1 = 1，2, 3,4, 5,6, 7， 8)〇
[0036] 圖9為本發(fā)明方案的仿真結(jié)果圖2(分離16個軌道角動量態(tài)，1 = ±1，±2, ±3， ±4，±5，±6，±7，±8)。
【具體實施方式】
[0037] 以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明專利作進一步的詳細說明。
[0038] 實施例一
[0039] 本發(fā)明提供了一種非破壞分離任意復(fù)用軌道角動量態(tài)的方法，該方法包括如下步 驟：
[0040] 步驟1 :產(chǎn)生一束復(fù)用軌道角動量態(tài)光束，其中的η個正1值軌道角動量態(tài)由水平 極化光產(chǎn)生，m個負1值軌道角動量態(tài)由垂直極化光產(chǎn)生