[发明专利]基于Gerchberg-Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法

说明书

本发明公开了一种基于Gerchberg‑Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法。首先构建基于涡旋光束的自适应光学系统传输模型，并模拟大气湍流引起的相位扰动，得到时域上畸变传输光束和探测光束场强分布；然后将畸变的探测光束作为基于Gerchberg‑Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法的输入，迭代计算出类似大气湍流的随机相位，进而得到校正的相位掩码作。通过空间光调制器加载在畸变的OAM光束上，以此来缓解由大气湍流引起的OAM光束模式间串扰。该波前相位校正方法校正效果好，可以有效提高传输LG光束的模式纯度。

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，具体为提出了一种基于Gerchberg-Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，并通过使用该方法计算出补偿相位，然后将其通过空间光调制器加载在畸变的传输LG光束上，进而缓解由大气湍流引起的LG光束的畸变和模式间串扰。

背景技术

由于数据用户和在线活动的增加，对数据速率和带宽的需求呈指数级增长。自由空间光学通信技术是满足这一需求的一种很有前途的技术。与光纤通信相比，自由空间光学通信技术具有更高的带宽、更小的波束发散度和更高的安全性，且安装简单，通信无需许可证。为了进一步增加无线光链路的信息传输能力，研究学者们提出了多种复用技术，如波分复用、模式划分多路复用、空间划分多路复用等。近年来，涡旋光在自由空间光(freespace optical,FSO)通信中的应用引起了人们极大的兴趣。轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)是光的一种特性，与光子波前的螺旋性有关。不像自旋角动量，只有两个状态，光子的OAM态可以取任何整数值。不同OAM态的波束是正交的，这种正交性允许不同用户可以在单独的OAM信道上同时传输信息。并且每个正交信道都可以在自由空间光通信链路的接收端进行完美的滤波和解码。然而，对于无线光通信的应用，涡旋光束的正交性不再保持。大气湍流是无线光通信链路性能退化的主要因素。大气中温度和压力的不均匀扰动都会导致折射率的随机变化。这将进一步引起相位扰动，并导致无线光通信信号的强度波动、光束漂移和光束展宽。对于涡旋光来说，湍流会造成涡旋光本征态能量转移到其他的OAM模式。由此，产生OAM本征态信道衰减和OAM模式间串扰。

为了缓解湍流对FSO-OAM通信系统的影响，近年来，科研人员提出了自适应光学和Gerchberg-Saxton算法等。前者确实具有良好的相位校正性能，但也存在成本高、安装维护难等缺点。而后者操作简单，成本相对较低。

到目前为止，由于拉盖尔高斯光束(Laguerre-Gaussian,LG)的复杂强度分布和螺旋相位，如何对其进行校正仍然是一个挑战。为了更好地缓解大气湍流引起的LG光束波前相位畸变，本发明在传统的基于Gerchberg-Saxton算法的基础上，提出了一种改进的基于Gerchberg-Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法。在该方法中，将基于Gerchberg-Saxton算法迭代得出类似的大气湍流随机相位，以及探测光束传输前后的光场分布作为基于角谱理论迭代计算部分的输入，再次进行迭代计算，可以更有效得到LG光束的相位掩模分布，并提高LG光束的模式纯度。因此，对于LG光束而言，研究改进的波前相位校正方法，对减缓大气湍流引起的光束畸变和模式间串扰而言具有重大意义。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于Gerchberg-Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，将畸变探测光束作为基于Gerchberg-Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法的输入。通过Gerchberg-Saxton算法和角谱理论，迭代计算出类似大气湍流的随机相位，进而得到校正的补偿的相位。然后将其通过空间光调制器加载在畸变的LG光束上，进而缓解由大气湍流引起的LG光束畸变和模式间串扰。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

基于Gerchberg-Saxton算法的涡旋光束波前相位校正方法，包括下述步骤：