[发明专利]OAM复用光束动态传输模拟系统

说明书

本发明公开了一种OAM复用光束动态传输模拟系统，涉及涡旋光束在动态大气湍流下的持续传输模拟技术。本系统包括依次连通的光源（10）、调制OAM光束（20）、OAM模式复用（30）、动态大气湍流模拟装置（40）和接收解调装置（50）。与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：①在OAM复用传输系统中引入了一种动态大气湍流模型，可以更加真实地模拟自由空间复用涡旋光束动态传输；②能进一步提升涡旋光通信仿真系统的有效性，针对不同强度地大气湍流，更加科学地分析和设计相应的恢复补偿算法；③在动态大气湍流模型里展开实验有利于推动复用涡旋光通信从实验过渡到工业使用，具有良好的应用前景；④结构简单，易于实现。

技术领域

本发明涉及涡旋光复用光束在动态大气湍流下的持续传输模拟技术，尤其涉及一种OAM复用光束动态传输模拟系统。

背景技术

光束波前携带空间螺旋相位因子exp(ilφ)的光束称为轨道角动量(OrbitalAngular Momentum，OAM)光束，也称为涡旋光束(Vortex Beams)，每个光子携带的轨道角动量为其中φ为方向角，l为拓扑荷数，为OAM的模态值(也称模式值或本征态值)。涡旋光束的相位是连续的，它的波阵面像旋涡一样在传播中保持螺旋向前。

随着信息技术的发展，人们对信道容量，传输速率的要求逐渐提高。OAM复用光通信凭借频谱利用率高、安全可靠性高和传输速率高的优势成为了当今研究热点。但是由于自由空间中存在动态大气湍流，系统内部存在工艺缺陷和器件老化，引起涡旋光束相位起伏涡旋光束弥散，导致通信误码率较高。因此，为了分析和设计应对不同强度大气湍流所采用的恢复补偿算法，研究OAM复用光束经过动态大气湍流的持续传输十分重要。为了模拟在大气湍流中传播，基于柯尔莫戈洛夫理论的数值模拟方法被广泛应用于湍流大气中的光传播研究。其中最普遍的静态相位屏生成方法是由McGlamery最先引入的FT方法，但是静态相位屏只能模拟单一时空的大气状态，在OAM复用传输模拟系统中目前还没有相匹配的模型用来模拟自由空间中随时间和风速变化的动态大气湍流。仿真动态演化的大气，需要针对每一个大气表达式随时间横向移动相位屏。

为了克服经过大气湍流后产生的波前畸变和态间串扰并恢复原始相位，北京理工大学的高春清团队利用预校正技术，在系统中引入高斯光束作为探针光，并利用GS算法以及SPGD算法进行校正，结果表明在中度及弱湍流下GS算法能够发挥一定的作用，但是面对复杂多变的动态大气湍流效应，单一高斯光束获取的信息结合相位恢复算法并不能完全恢复原始涡旋光空间相位。因此为了采取对应有效的恢复补偿算法，研究复用涡旋光束在动态大气湍流模型下传输，分析传输过程中OAM复用光束受到的持续影响十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复用OAM光束动态传输模拟系统，即模拟动态大气湍流下的涡旋光传输，有助于模拟随风速实时改变的动态大气湍流对涡旋光传输的持续影响，并分析和设计各种动态大气湍流中涡旋光传输的恢复补偿算法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明依照“泰勒冻结湍流理论”，通过利用反射式液晶空间光调制器加载一系列具有相关性的大气湍流相位屏模拟现实生活中随风速逐渐演变的动态大气湍流，在室内模拟复用涡旋光束在动态大气湍流中的持续传输。

①在发射端，光源发出的光信号经过光纤耦合器分出两路光信号，两路信号被扩束准直后经由空间光调制器调制相位，得到两束不同拓扑荷值的OAM光束，最后两束光信号经过合束镜合束得到OAM复用光束；

②复合光束在自由空间中传输由于动态大气湍流干扰导致涡旋光束波前发生畸变，本系统利用第一反射式液晶空间光调制器加载一系列具有空间相关性随风速逐渐演变的大气湍流相位屏，用于模拟实时改变的动态大气湍流；

③在接收端，复合涡旋光束经过第二液晶空间光调制器上的反向相位全息图(若制备涡旋光束的时拓扑荷数为正，此时就为负)可恢复出初始的带有调制格式的脉冲信号光；