[实用新型]一种轨道角动量光通信中的空间相位补偿装置

说明书

本实用新型公开了一种轨道角动量光通信中的空间相位补偿装置，涉及液晶空间光调制技术，具体地说是空间光通信中对涡旋光束进行相位补偿。本装置包括依次连通的光源、调制OAM、模式复用、自由空间、解调OAM和相干检测；分别在发送端和接收端利用迭代式相位恢复算法补偿任何经过液晶空间光调制器反射的光束相位，改善由于现有工艺不足以及大气湍流导致的涡旋光束对称性不完美状态，提高光束质量，以便后续利用及传输。与现有的技术相比，本实用新型实现了分步矫正空间光通信系统中存在的相位畸变；②在一定程度上提高产生的涡旋光束质量与接收解调的质量，综合提高整个系统的信噪比，降低误码率；结构简单，易于实现。

技术领域

本实用新型涉及液晶空间光调制技术，尤其涉及一种轨道角动量光通信中的空间相位补偿装置。

背景技术

具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)的光束称为涡旋光束(vortexbeams)，涡旋光束拥有相位因子exp其中为方向角，l为拓扑荷数，即一个波长中波阵面旋转的圈数，从理论上来说l可以任意取整数，即具有无限多的本征态。

由于利用具有不同拓扑荷数的涡旋光束来实现模式复用传输信息，可以极大的扩展系统容量，实现高频谱利用率的光传输，因此OAM光束的制备，传输，接收均受到广泛关注与与研究。目前在发送端利用空间光相位调制器法制得的涡旋光束由于反射面不平整会出现相位扭曲失真，OAM光束对称性欠缺，而造成实际通信信号的畸变与失真，降低了通信质量，限制了系统传输容量，而由于信号传输过程中受到大气湍流影响，在接收端涡旋光束同样存在相位畸变失真。目前为解决此类问题，在发送端可采用相位恢复算法来补偿反射面不平整导致的相位畸变，迭代生成恢复以后的相位全息图，恢复以后的相位分布与初始相位分布之差为像差函数，该函数可叠加在后续任何拓扑荷数的相位分布函数上，从而使经过液晶空间光调制器反射面反射的高斯光束能生成更加完美的涡旋光束。对于相位恢复问题，近几十年以来，国内外学者们针对可见光波长的图像提出了很多方案，并不断进行改进。最初Gerehberg和Saxton于1972年提出了经典的迭代式相位恢复算法：GS算法，Fienup于1982年提出了混合输入输出算法(Hybrid Input-output,HIO)和误差减少算法(ErrrorReducyion algorithm，ER)，HIO算法主要是对物平面限制的处理，且因为加入了负反馈而使得收敛速度大大提升，而对于ER算法可能会陷入“停滞”的缺点，国内学者杨国袖和顾本源提出了一个有效的改进算法，即“杨顾算法”。该算法的缺点是迭代的不确定性，抗噪声能力也不太理想，在此基础上，许多国内学者也提出了一些改进的算法，比如利用三幅或多幅散焦面信息的相位恢复，通过获取的散焦图的增加而改善了算法的抗噪性能。此外还有利用平面角谱传播公式在物平面和像平面上重复迭代来计算物面上的相位信息的基于平面角谱传播的迭代角谱算法(Iterative Angular Spectrum Approach)，或是在迭代过程中，光束输入端和输出端分别进行加权改进。涡旋光束通信的研究约在2012年左右才开始兴起，极少有应用相位恢复算法在涡旋光通信场景下补偿光信号质量的研究报道。

在接收端，为了矫正大气湍流导致的波前畸变，多采用自适应光学系统(Adaptiveoptics，缩写为AO)，自适应光学是一项使用可变形镜面矫正因大气抖动造成的光波波前畸变，从而改进光学系统性能的技术，其概念和原理最早是在1953年由海尔天文台的胡瑞斯·拜勃库克(Horace Babcock)提出的，配备自适应光学系统的望远镜能够克服大气抖动对成像带来的影响，将空间分辨率提高大约一个数量级，达到或接近其理论上的衍射极限，故目前越来越多的大型地面光学/红外望远镜都安装了这一系统，逐步成为各大天文台广泛使用的技术。自适应光学系统是目前补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的最有前景的技术，而该系统必须利用有限的数据在每一毫秒内做出分析并对波前畸变进行修正，虽然对通信效果确有改善，但是对光学元件精度要求高，技术复杂，成本较高，目前难以在实际通信场合中广泛使用。

发明内容