一种混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统的制作方法

本发明涉及光学器件技术领域，更具体的说，涉及一种混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统。

背景技术：

光学干涉仪就是使得光束发生叠加干涉的仪器。它是最常见的光学工具之一，可用于精密测量、表面诊断、天体物理学、地震学、量子信息等等。傅里叶变换干涉仪为一种常用的干涉仪。

离散傅里叶变换(DFT)是信号分析的基本方法，在诸多领域中有着重要应用，例如频谱分析、数据压缩、解偏微分方程等等。具体地，DFT以一个复矢量x₀，…，x_n-1为输入，其中N是矢量的长度，则输出为复矢量y₀，…，y_n-1，其中，任一输出的复矢量表示如下

量子傅里叶变换(QFT)与DFT类似，区别仅在于复矢量换成了量子波函数。具体地，QFT定义为在一组标准正交基|0>，…，|n-1>上的一个线性算符，其变换作用为：

常见的傅里叶变换干涉仪包括分别基于上述两种方法的离散傅里叶变换干涉仪以及量子傅里叶变换干涉仪。对于现有的傅里叶变换干涉仪，通常采用下述两种全路径模式构造方法：第一种是利用可实现任意的离散酉变换的普适方法，该方法构造n维DFT或光学干涉仪，需要数量为n²的二进二出分束器；第二种是利用快速傅里叶变换的特殊方法，通过较复杂的分束器排布方式，该方法可使得分束器的数量降低到n*log₂n。

技术实现要素：

本发明提供了一种混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统，该混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统不改变傅里叶变换干涉仪中分束器数量，可以增加通道数量。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统，所述离散傅里叶变换光学干涉系统包括：

输入端、输入端偏振分束器阵列、路径干涉模块、偏振模式干涉模块、输出端偏振分束器阵列以及输出端；

所述输入端用于输入2n束偏振光，n为大于1的正整数；所述2n束偏振光包括：n束第一偏振方向的偏振光以及n束一一对应的第二偏振方向的偏振光；

所述输入端偏振分束器阵列用于将所述2n束偏振光合并为n束偏振光后，输入到所述路径干涉模块，合并后的每一束偏振光具有所述第一偏振方向以及所述第二偏振方向两个偏振模式；一束第一偏振方向的偏振光和所对应的一束第二偏振方向的偏振光合并为同一束偏振光；

所述路径干涉模块用于将合并后的n束偏振光中的同一偏振模式的偏振光进行离散傅里叶变换，n束偏振光经过离散傅里叶变换后通过n个路径输入到所述偏振模式干涉模块；

所述偏振模式干涉模块用于实现经过离散傅里叶变换后的同一路径中不同偏振模式的偏振光之间的干涉，干涉后的n束偏振光输入到所述输出端；

所述输出端偏振分束器阵列用于将干涉后的每一束偏振光分开为一束第一偏振方向的偏振光以及一束第二偏振方向的偏振光；

所述输出端用于输出2n束偏振光。

优选的，在上述离散傅里叶变换光学干涉系统中，所述输入端包括：

n个输入端口组，每一所述输入端口组具有两个输入端口，分别用于输入一束第一偏振方向的偏振光以及一束第二偏振方向的偏振光。

优选的，在上述离散傅里叶变换光学干涉系统中，所述输入端偏振分束器阵列包括：

n个偏振分束器，每一个所述偏振分束器对应所述输入端输入的一束第一偏振方向的偏振光以及一束对应的第二偏振方向的偏振光，将该两路偏振光合并为具有两个偏振模式的偏振光。

优选的，在上述离散傅里叶变换光学干涉系统中，所述路径干涉模块为傅里叶变换干涉仪；

所述傅里叶变换干涉仪用于在所述第一偏振方向以及所述第二偏振方向上分别实现傅里叶变换。

优选的，在上述离散傅里叶变换光学干涉系统中，当n＝2时，所述傅里叶变换干涉仪具有一个不改变偏振参数的分束器，所述不改变偏振参数的分束器的分束比是50:50，且分束比与偏振方向无关。

优选的，在上述离散傅里叶变换光学干涉系统中，所述傅里叶变换干涉仪具有n²个分束器，n²个分束器用于将合并后的n束偏振光中的同一偏振模式的偏振光进行离散傅里叶变换。

优选的，在上述离散傅里叶变换光学干涉系统中，所述傅里叶变换干涉仪具有n*log₂n个分束器，n*log₂n个分束器用于将合并后的n束偏振光中的同一偏振模式的偏振光进行快速傅里叶变换。

优选的，在上述离散傅里叶变换光学干涉系统中，所述偏振模式干涉模块包括：

n个偏振旋转器，所述n个偏振旋转器的偏振旋转矩阵相同，所述偏振旋转矩阵为:

其中，i为单位虚数，e为欧拉常数，θ为关于n的常数。

优选的，在上述离散傅里叶变换光学干涉系统中，所述输出端偏振分束器阵列包括n个偏振分束器。

优选的，在上述离散傅里叶变换光学干涉系统中，所述输出端包括：n个输出端口组，每一个所述输出端口组具有两个输出端口，分别用于输出一束第一偏振方向的偏振光以及一束第二偏振方向的偏振光。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统包括：输入端、输入端偏振分束器阵列、路径干涉模块、偏振模式干涉模块、输出端偏振分束器阵列以及输出端。

所述输入端用于输入2n束偏振光，n为大于1的正整数；所述2n束偏振光包括：n束第一偏振方向的偏振光以及n束一一对应的第二偏振方向的偏振光；所述输入端偏振分束器阵列用于将所述2n束偏振光合并为n束偏振光后，输入到所述路径干涉模块，合并后的每一束偏振光具有所述第一偏振方向以及所述第二偏振方向两个偏振模式；一束第一偏振方向的偏振光和所对应的一束第二偏振方向的偏振光合并为同一束偏振光；所述路径干涉模块用于将合并后的n束偏振光中的同一偏振模式的偏振光进行离散傅里叶变换，n束偏振光经过离散傅里叶变换后通过n个路径输入到所述偏振模式干涉模块；所述偏振模式干涉模块用于实现经过傅里叶变换后的同一路径中不同偏振模式的偏振光之间的干涉，干涉后的n束偏振光输入到所述输出端；所述输出端偏振分束器阵列用于将干涉后的每一束偏振光分开为一束第一偏振方向的偏振光以及一束第二偏振方向的偏振光；所述输出端用于输出2n束偏振光；其中，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直。

本发明实施例提供的混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统在一定通道数量下，可以降低傅里叶变换干涉仪中的分束器数量，在傅里叶变换干涉仪中的分束器数量一定时，可以增加通道数量。且该混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统具有较好的相位稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施提供的一种混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种离散傅里叶变换光学干涉系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施提供的一种混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统的结构示意图，该混合编码的离散傅里叶变换光学干涉系统包括：输入端11、输入端偏振分束器阵列12、路径干涉模块13、偏振模式干涉模块14、输出端偏振分束器阵列15以及输出端16。

所述输入端11用于输入2n束偏振光，n为大于1的正整数。所述2n束偏振光包括：n束第一偏振方向的偏振光以及n束一一对应的第二偏振方向的偏振光。

其中，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直。可以设置所述第一偏振方向为水平方向，所述第二偏振方向为竖直方向。

需要说明的是，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向之间的夹角不局限于上述90°的实施方式，可以根据需求设计二者之间的夹角。

如图1所示，所述输入端11包括：n个输入端口组111，每一个所述输入端口组111具有两个输入端口，分别用于输入一束第一偏振方向的偏振光以及一束第二偏振方向的偏振光。

输入2n束偏振光，需要n个输入端口组111。该离散傅里叶变换光学干涉系统具有2n个输入端口，该2n个输入端口依次排布。如图1所示，2n个输入端口按照排布顺序依次为第1个输入端口In₁、第2个输入端口In₂、第3个输入端口In₃、第4个输入端口In₄、…、第2n-1个输入端口In_2n-1以及第2n个输入端口In_2n。其中，第i个输入端口In_i与第i+1个输入端口In_i+1属于同一个输入端口组111，i为小于2n的奇数，第i个输入端口In_i与第i+1个输入端口In_i+1中的一个用于输入一束第一偏振方向的偏振光，另一个用于输入一束第二偏振方向的偏振光。可以统一设定第i个输入端口In_i输入一束第一偏振方向的偏振光，第i+1个输入端口In_i+1输入一束第二偏振方向的偏振光。

所述输入端偏振分束器阵列12用于将所述2n束偏振光合并为n束偏振光后，输入到所述路径干涉模块13，合并后的每一束偏振光具有所述第一偏振方向以及所述第二偏振方向两个偏振模式。一束第一偏振方向的偏振光和所对应的一束第二偏振方向的偏振光合并为同一束偏振光。

如图1所示，所述输入端偏振分束器阵列12包括：n个偏振分束器121，每一个所述偏振分束器121对应所述输入端11输入的一束第一偏振方向的偏振光以及一束对应的第二偏振方向的偏振光，将该两路偏振光合并为具有两个偏振模式的偏振光。也就是说，一个偏振分束器121对应一个输入端口组111的两个输入端口，通过该两个输入端口输入一束第一偏振方向的偏振光以及一束对应的第二偏振方向的偏振光，并将该两路偏振光合并为具有两个偏振模式的偏振光。

每一个偏振分束器121合并一束对应的第一偏振方向的偏振光以及对应的一束第二偏振方向的偏振光，合并后的偏振光具有的两个偏振模式分别是所述第一偏振方向以及所述第二偏振方向。图1中示出了n个偏振分束器121，依次为第1个偏振分束器PBS_in1、第2个偏振分束器PBS_in2、…、第n个偏振分束器PBS_inn。

所述路径干涉模块13用于将合并后的n束偏振光中的同一偏振模式的偏振光进行离散傅里叶变换，n束偏振光经过离散傅里叶变换后通过n个路径输入到所述偏振模式干涉模块14。

合并后的n束偏振光输入所述路径干涉模块13，所述路径干涉模块13将n束偏振光中偏振方向为第一偏振方向的偏振光进行离散傅里叶变换，并将n束偏振光中偏振方向为第二偏振方向的偏振光进行离散傅里叶变换。所述路径干涉模块13输出n束经过离散傅里叶变换后的偏振光。此时，每一束偏振光同样具有上述两个偏振模式。

所述偏振模式干涉模块14用于实现经过离散傅里叶变换后的同一路径中不同偏振模式的偏振光之间的干涉，干涉后的n束偏振光输入到所述输出端。

如图1所示，所述偏振模式干涉模块14包括：n个偏振旋转器141，所述n个偏振旋转器141的偏振旋转矩阵相同，所述偏振旋转矩阵HS为:

其中，i为单位虚数，e为欧拉常数，θ为关于n的常数。

图1中示出了n个偏振旋转器141，依次为第1个偏振旋转器HS₁、第2个偏振旋转器HS₂、…、第n个偏振旋转器HS_n。每个偏振旋转器141输入一束经过离散傅里叶变换后的偏振光。

可选的，所述偏振模式干涉模块14通过波片组实现偏振态操纵。每一个所述偏振所述波片组可采用四分之一波片、二分之一波片和四分之一波片的组合。所述偏振旋转器141包括所述波片组。

所述输出端偏振分束器阵列15用于将经过所述偏振模式干涉模块14干涉后的每一束偏振光分开为一束第一偏振方向的偏振光以及一束第二偏振方向的偏振光。所述输出端偏振分束器阵列15用于把同一束偏振光中的第一偏振方向的偏振光以及第二偏振方向的偏振光分开到不同的输出端口。

如图1所示，所述输出端偏振分束器阵列15包括n个偏振分束器151。一个偏振分束器151对应一个偏振旋转器141，将经过偏振旋转器141干涉后的一束偏振光分开为两路偏振光，该两路偏振光中一束为第一偏振方向的偏振光，另一束为第二偏振方向的偏振光。图1中示出了n个偏振分束器151，依次为第1个偏振分束器PBS_out1、第2个偏振分束器PBS_out2、…、第n个偏振分束器PBS_outn。

所述输出端16用于输出2n束偏振光。经过所述输出端偏振分束器阵列15分光后，形成2n束偏振光，通过所述输出端16输出。

如图1所示，所述输出端16包括：n个输出端口组161，每一个所述输出端口组161具有两个输出端口，分别用于输出一束第一偏振方向的偏振光以及一束第二偏振方向的偏振光。

所述输出端偏振分束器阵列15将n束偏振光分开为2n束偏振光，包括n束第一偏振方向的偏振光以及n束第二偏振方向的偏振光。此时需要所述输出端16具有n个输出端口组161。n个输出端口组161共有2n个输出端口，依次为第1个输出端口Out₁、第2个输出端口Out₂、第3个输出端口Out₃、第4个输出端口Out₄、…、第2n-1个输出端口Out_2n-1以及第2n个输出端口Out_2n。其中，第i个输出端口Out_i与第i+1个输出端口Out_i+1属于同一个输出端口组161，i为小于2n的奇数，第i个输出端口Out_i与第i+1个输出端口Out_i+1中的一个用于输出一束第一偏振方向的偏振光，另一个用于输出一束第二偏振方向的偏振光。可以统一设定第i个输出端口Out_i输出一束第一偏振方向的偏振光，第i+1个输出端口Out_i+1输出一束第二偏振方向的偏振光。

本发明实例提供的离散傅里叶变换光学干涉系统中，所述路径干涉模块13为傅里叶变换干涉仪。所述傅里叶变换干涉仪为偏振依赖的傅里叶变换干涉仪，所述傅里叶变换干涉仪用于在所述第一偏振方向以及所述第二偏振方向上分别实现傅里叶变换。

当所述傅里叶变换干涉仪利用可实现任意的离散酉变换的普适方法构造全路径模式时，所述傅里叶变换干涉仪具有n²个分束器，n²个分束器用于将合并后的n束偏振光中的同一偏振模式的偏振光进行离散傅里叶变换。

此时，相对于单纯采用全路径离散傅里叶变换干涉仪，能够将傅里叶变换干涉仪n束输入与n束输出改变为2n束输入，不改变傅里叶变换干涉仪中分束器个数，可增加一倍的输入以及输出通路。如果令2n＝N，采用本发明技术方案，傅里叶变换干涉仪需要N²/4个分束器。单独采用全路径离散傅里叶变换干涉仪现有技术方案只能有N束输入以及N束输出，需要N²个分束器。可见，本发明技术方案可以将傅里叶变换干涉仪的分束器数量减少75％，大大降低傅里叶变换干涉仪的分束器数量。

当所述傅里叶变换干涉仪利用快速傅里叶变换的特殊方法构造全路径模式时，所述傅里叶变换干涉仪具有n*log₂n个分束器，n*log₂n个分束器用于将合并后的n束偏振光中的同一偏振模式的偏振光进行快速傅里叶变换。其中，快速傅里叶变换为离散傅里叶变换的一种快速实现方式。

此时，相对于单纯采用全路径离散傅里叶变换干涉仪，能够将傅里叶变换干涉仪n束输入与n束输出改变为2n束输入，不改变傅里叶变换干涉仪中分束器个数，可增加一倍的输入以及输出通路。如果令2n＝N，采用本发明技术方案，傅里叶变换干涉仪需要(N/2)*log₂(N/2)个分束器。单独采用全路径离散傅里叶变换干涉仪现有技术方案只能有N束输入以及N束输出，需要N*log₂N个分束器。可见，此时也可以大大降低傅里叶变换干涉仪的分束器数量。

本发明实施例提供的离散傅里叶变换光学干涉系统中，当n＝2时，离散傅里叶变换光学干涉系统如图2所示，图2为本发明实施例提供的另一种离散傅里叶变换光学干涉系统的结构示意图。

此时，输入端11具有四个输入端口，依次为第1个输入端口In₁、第2个输入端口In₂、第3个输入端口In₃以及第4个输入端口In₄；输入端偏振分束器阵列12具有两个偏振分束器，依次为第1个偏振分束器PBS_in1以及第2个偏振分束器PBS_in2；路径干涉模块13仅需要一个分束器；偏振模式干涉模块14具有两个偏振旋转器，依次为第1个偏振旋转器HS₁以及第2个偏振旋转器HS₂；输出端偏振分束器阵列15具有两个偏振分束器，依次为第1个偏振分束器PBS_out1以及第2个偏振分束器PBS_out2；输出端16具有四个输出端口，依次为第1个输出端口Out₁、第2个输出端口Out₂、第3个输出端口Out₃以及第4个输出端口Out₄。

n＝2时，所述傅里叶变换干涉仪具有一个不改变偏振参数的分束器，所述不改变偏振参数的分束器的分束比是50:50，且分束比与偏振方向无关。

入射光信号依次通过所述输入端11、所述输入端偏振分束器阵列12、所述路径干涉模块13、所述偏振模式干涉模块14以及所述输出端偏振分束器阵列15，最后通过所述输出端16输出。偏振光在入射所述路径干涉模块13之前为线偏振光，偏振光经过所述路径干涉模块13以及所述偏振模式干涉模块14的信号处理后，转变为相较于线偏振光更为复杂的偏振光。偏振光通过入射所述路径干涉模块13以后，实现全路径的混合编码。

本发明实施例提供的离散傅里叶变换光学干涉系统，通过在傅里叶变换干涉仪的输入侧以及输出侧设置对应的光学元件，可以将傅里叶变换干涉仪的n输入以及n输出增加为2n输入以及2n输出。

如果是不增加输出以及输出通路，则本发明实施例技术方案可以大大降低傅里叶变换干涉仪中的分束器数量。

且本发明实施例技术方案提供的离散傅里叶变换光学干涉系统中，输入端11、输入端偏振分束器阵列12、偏振模式干涉模块14以及输出端偏振分束器阵列15仅需要通过分束器实现即可，构造方式简单，相位稳定。利用的是光的内部自由度，不受器件位置误差的影响，极大降低了系统搭建难度，且相位也不会受到空气的影响。

同时，本发明实施例技术方案提供的离散傅里叶变换光学干涉系统具有普适性，适用于任意多模式。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。