[发明专利]光子自旋-轨道角动量联合模式的测量方法及测量系统

说明书

本发明公开了一种光子自旋‑轨道角动量联合模式的测量方法及测量系统，其中所述的测量方法包括以下步骤：将待测的带有自旋‑轨道角动量的光场垂直输入到至(x,y)平面，且光场中心与该平面中心对准；对带有螺旋波前的左旋圆偏振态入射光引入相位调制Q_L(x,y)，对带有螺旋波前的右旋圆偏振入射光引入相位调制Q_R(x,y)；带有不同自旋角动量的光场沿着螺旋线展开并被分离到(u,v)平面上不同位置；对带有螺旋波前的左旋圆偏振入射光引入补偿相位P_L(x,y)，对带有螺旋波前的右旋圆偏振入射光引入补偿相位P_R(x,y)，将经过(u,v)平面的光场汇聚在(m,n)平面不同位置；检测(m,n)平面的光强分布，从而测量输入光场的自旋‑轨道角动量联合模式，或解调输入光场的自旋‑轨道角动量联合模式。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，更具体的，涉及一种光子自旋-轨道角动量联合模式的测量方法及测量系统。

背景技术

近几十年来，计算机、互联网和物联网等信息技术不断发展，全球数据呈爆发式增长，这对数据传输容量提出巨大挑战。光通信是数据传输的主要方式，利用传统的复用技术包括时分复用、波分复用、偏振复用和高阶调制格式等来提高其传输容量已难于满足需求。

因此空间模分复用成为目前进一步提高通信容量的热门研究方向。空间模分复用是指光场在信道传输时，会产生多个正交空间模式，通过将数据调制到不同的空间模式，在单个信道实现多组数据同时传输。在众多模分复用方案中，基于光子自旋角动量(spinangular momentum,SAM)和轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)联合的模分复用因其模式特有的对称性以及与光子角动量的内在关联而受到广泛关注，具备进一步大幅度提升数据传输容量的潜力。

然而实现基于SAM-OAM模分复用的光通信系统面临诸多关键问题。其中极为关键的一个问题就是对SAM-OAM联合模式实现复用/解复用，即实现不同模式的合束与分离。解调光子自旋和轨道角动量联合模式需要同时分离带有不同偏振态和螺旋波前的混合光束。早期OAM模式解复用主要使用全息衍射光栅，级联的Mach-Zehnder干涉仪等方法，但这些方法存在效率低，实现复杂等问题。

早在2010年，Berkhout G C G等人报道了全新的OAM模式解调方法，他们证明利用基于对数-极坐标的光学坐标变换将带螺旋波前的光场转变为带有倾斜波前的平面波，再通过傅里叶变换将光场分离到不同的空间位置上，从而实现OAM模式解复用。该解调方法简单、效率高且容易集成，但是基于对数-极坐标的光学坐标变换沿着圆形路径将光场映射到输出平面上，其有限的方向角θ＝[0,2π)会使解调光斑宽度大于相邻OAM模式解调光斑的间距，从而导致相邻OAM模式串扰。

为了解决这一问题，不少文献从光学傅里叶变换角度出发，通过扇出型光栅在空间域上复制了经过光学变换的光场来减小空间频域上的解调光斑宽度，从而降低相邻OAM模式叠加引起的串扰，然而这类方法增加了解复用器件设计的复杂度。

发明内容

本发明为了解决能同时实现SAM和OAM模式解复用的问题，提供了一种光子自旋-轨道角动量联合模式的测量方法及测量系统，其具有高效率、低串扰、易于实现和集成化的特点，有效的解决了同时实现SAM和OAM模式解复用的问题。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种光子自旋-轨道角动量联合模式的测量方法，所述的该方法包括以下步骤：

S1：将待测的带有自旋-轨道角动量的光场垂直输入到至(x,y)平面，且光场中心与该平面中心对准；假设光子自旋角动量其中σ＝±1，其与光场的偏振态密切相关，σ＝1为左旋圆偏振态，σ＝-1为右旋圆偏振态；光子轨道角动量其中l＝0,±1,±2,±3...与光场的螺旋波前相联系；设输入光场的波前相位可表示为exp(ilθ)；其中l为拓扑荷数即轨道角动量模式；θ为方位角；i为虚数单位；