一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生装置与方法与流程

本发明涉及量子信息与光通信技术领域，尤其是涉及一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生装置与方法。

背景技术：

量子密码是当前安全性可证明的信息技术，高码率远程传输是量子密码亟待解决的难题。科学家们发现利用多个自由度与不确定关系来对信号进行复用和调制可以扩大传输容量，提高密钥速率。其中轨道角动量(oam)是除了偏振、相位和波长等自由度之外的又一种量子密码调制的重要自由度。具有轨道角动量(oam，orbitalangularmomentum)的光束带有相位因子exp(ilθ)，携带了lh的轨道角动量，其中，θ是方位角，l为拓扑荷。理论上，拓扑荷值l可以取任意整数值，并且不同l值的oam态之间正交，可以构建无限维度的希尔伯特空间。oam的这些理论特性使其在量子信息、光通信、光学微操纵和生物医学等领域有着广泛的应用。

目前，已有诸多产生轨道角动量光束的器件及方法，例如，螺旋相位板、空间光调制器、基于柱面透镜的模式变换器以及q-plate等。然而，这些器件都存在各自的局限性，比如：螺旋相位板只能实现单一模式的oam；空间光调制器虽然可以实现不同oam模式的动态调制，但其响应速率一般在khz以下，极大限制了其应用价值，并且器件体积大不利于集成；q-plate可以实现自旋-轨道角动量之间的转换，产生对应oam叠加态，但是其难以产生高维度的oam，并且产生的oam模式较单一。

同时，现有技术中，如alipashavaziri等人采用计算机生成的全息图和干涉测量的方法实现了oam叠加态的制备，但产生的模式单一，不能动态调制(alipashavaziri，atal.superpositionsoftheorbitalangularmomentumforapplicationsinquantumexperiments.journalofopticsb：quantumandsemiclassicaloptics，2002，4(2)，1-19.)；中山大学的蔡鑫伦小组通过在单个回音壁模(wgm)谐振器中集成叠加的角光栅来产生任意oam的叠加态，但其产生的oam叠加态与入射光的波长直接相关，限制了其在通信领域的应用(xiao，q，atal.generationofphotonicorbitalangularmomentumsuperpositionstatesusingvortexbeamemitterswithsuperimposedgratings.opticsexpress，2016，24(4)，3168.)；如专利cn101251655a利用衍射光栅和达夫棱镜实现了oam态的叠加，可产生多个不同模式的轨道角动量的反向叠加态，但只能静态的产生叠加态，不能动态调制；专利cn101726868a可动态产生oam叠加态，但产生速率受到空间调制器的限制，难以集成；专利cn104065418a虽然实现了集成的轨道角动量模式发射器，但依旧无法动态调制。现有技术，中国专利公开cn104007567a提供了一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法，该方法利用螺旋相位片实现了oam的动态调制，提高了oam的产生速率，但只能产生单个oam态，不能产生叠加态；

综上所述，目前现有的技术仍不能满足未来量子编码和量子密钥分配(qkd)的应用。进一步拓展oam的研究与应用，急需一种能同时满足结构紧凑，便于集成，模式可调，可高速产生oam态及叠加态的器件。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生装置与方法；本发明利用全息光栅开关、螺旋相位板和全反射镜组成往返光路，通过控制光脉冲循环往返的时间，实现特定的轨道角动量态调制；利用偏振分束器和合束器实现正交偏振分量的分离与相干叠加；本发明的一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生装置与方法，不仅可高速产生任意拓扑荷数的轨道角动量态及其叠加态，同时还具有结构紧凑，便于集成，制作成本较低的特点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生装置，所述装置包括高斯光源模块，第一轨道角动量调制模块，第二轨道角动量调制模块和复用模块。

所述高斯光源模块包括泵浦光源和起偏器；

所述泵浦光源用于产生高斯脉冲光；所述起偏器将高斯脉冲光束调制成所需要的偏振态；

所述第一轨道角动量调制模块包括：第一延时器，第一四分之一波片，第一全息光栅开关，第一螺旋相位板和第一全反射镜；所述第一全息光栅开关，第一螺旋相位板和第一全反射镜依次连接形成第一往返光路；

所述第二轨道角动量调制模块包括：第二延时器，第二四分之一波片，第二全息光栅开关，第二螺旋相位板和第二全反射镜；所述第二全息光栅开关，第二螺旋相位板和第二全反射镜依次连接形成第二往返光路；

所述第一或第二延时器用于弥补第一或第二轨道角动量调制模块中因循环往返调制造成的相对时差，保证两路分量的时间一致性；

当所述第一或第二四分之一波片接收入射光时，入射的线偏振光变为圆偏振光，当圆偏振光经过第一或第二全反射镜反射回来再次经过该波片时，圆偏振光变为与入射时偏振态正交的线偏振光，即，将水平偏振光转为了竖直偏正光；

所述第一或第二全息光栅开关是利用激光的全息技术，通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，依靠布拉格光栅实现光的选择性反射，其响应速度可达到纳秒的量级。当施加电压时，布拉格光栅将光束反射；当不施加电压时，光束直接透射过晶体；在实际应用中，也可以用其他透射或反射型的光开关代替全息光栅开关；

所述第一或第二螺旋相位板是一种光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件，其目的是控制传输光束的相位，过程与偏振无关。当高斯光束通过透明的螺旋相位板时，由于螺旋相位板的螺旋形表面使透射光束光程的改变不同，引起相位的改变量也不同，使得透射光束产生一个螺旋相位因子，其拓扑荷数为l0。

当高斯光脉冲进入第一或第二轨道角动量调制模块时，先经过第一或第二延时器，而后第一或第二四分之一波片对光束的偏振态进行第一次旋转，进入第一往返光路或第二往返光路，通过控制第一或第二全息光栅开关的开关时间，可实现特定轨道角动量态的调制；调制好的光脉冲将沿原光路出射，即，再次穿过第一或第二四分之一波片、第一或第二延时器；其中，每一次穿过第一或第二螺旋相位板都使得轨道角动量的拓扑荷数的绝对值加|l0|；调制好的光脉冲将沿原光路出射并进入所述复用模块的合束器，叠加生成轨道角动量态或叠加态。

所述复用模块包括：第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、半波片以及合束器。

所述第一、第二或第三偏振分束器，透射水平偏振光，反射竖直偏振光。

所述半波片，将竖直偏振光转换为水平偏振光。

所述合束器，用于耦合来自第二偏振分束器和第三偏振分束器的竖直偏振光。

上述轨道角动量产生装置工作时，高斯光源模块产生任意偏振态的高斯光束，进入复用模块，复用模块将高斯光束分解成偏振方向为水平和偏振方向为垂直的两个偏振分量，并分别导入第一或第二轨道角动量调制模块，调制模块分别对两个分量进行偏振无关的轨道角动量调制，调制后的两个光分量将返回复用模块，复用模块将两个分量光叠加，最后输出轨道角动量态或叠加态。

本发明还提供了一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s1：高斯光源模块根据所需产生的轨道角动量态产生对应偏振态并传输至复用模块。

步骤s2：上述产生的偏振态进入复用模块时，先通过第一偏振分束器，分成上右两支路。右支路经过第二偏振分束器，与第一轨道角动量调制模块连接；上支路则经过半波片和第三偏振分束器，与第二轨道角动量调制模块连接；此时，光的状态变为：

具体的，上支路为在垂直方向上，第一偏振分束器的上方光路；右支路为在水平方向上，第一偏振分束器的右边光路。

步骤s3：第一和第二轨道角动量调制模块根据所需产生的轨道角动量态调整第一延时器或第二延时器的延时参数，保证两路光的时间一致性；其中，|l1>和|l2>是轨道角动量态，l1和l2为拓扑荷数，α²+β²＝1；

具体地，设光在第一全息光栅开关或第二全息光栅开关、第一螺旋相位板或第二螺旋相位板、第一全反射镜或第二全反射镜所组成的往返光路中，往返一次的时间为t0，通过一次螺旋相位板拓扑荷数加l0；则，第一延时器与第二延时器的相对延时其中，和为整数。

步骤s4：入射光同时进入第一或第二轨道角动量调制模块，经过一定延时，第一或第二四分之一波片对偏振态进行第一次偏振旋转，然后进入由第一或第二全息光栅开关、第一或第二螺旋相位板、第一或第二全反射镜组成的往返光路进行oam调制，其中，光在第一轨道角动量调制模块中，往返次；光在第二轨道角动量调制模块中，往返次；调制好的光脉冲将沿原光路出射，即，再次穿过第一或第二四分之一波片、第一或第二延时器；其中，每一次穿过第一或第二螺旋相位板都使得轨道角动量的拓扑荷数的绝对值加|l0|；此时光的状态变为：

步骤s5：调制后的光经过延时器的时间补偿后，在同一时间被第二或第三偏振分束器反射，并且通过合束器耦合输出；此时光的最终状态变为：

上述的一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生装置与方法，其结构紧凑，制作成本较低，所需器件与技术较为成熟，可高速产生任意拓扑荷数的轨道角动量态及叠加态，速率可达mhz的量级。其中，本装置的速率只受限于全息光栅开关的响应时间。

具体地，设往返时间t0等于全息光栅开关的响应时间ts，预设最大往返次数为n，则整体装置的速率为若设n＝8，t0＝100ns，则整体装置速率可达1.25mhz；随着开关响应时间ts的缩短，速率甚至可达ghz的量级。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的技术方案可实现偏振自由度和oam自由度间的状态转换，通过直接调控输入光的偏振态，即可输出对应的轨道角动量态或叠加态；

(2)本发明提供的技术方案既可以产生任意轨道角动量态，也可以产生任意轨道角动量态间的叠加态，产生速率大于mhz的量级，只受限于全息光栅开关的响应时间；

(3)本发明提供的技术方案可兼容大功率的输入光，且具有整体结构紧凑，制作成本低的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的装置的工作原理图；

图3为本发明实施例提供的方法工作流程图。

附图标记说明

0高斯光源模块，1第一轨道角动量调制模块，2第二轨道角动量调制模块，3复用模块；

001泵浦光源，002起偏器；

101第一延时器，102第一四分之一波片，103第一全息光栅开关，104第一螺旋相位板，105第一全反射镜；

201第二延时器，202第二四分之一波片，203第二全息光栅开关，204第二螺旋相位板，205第二全反射镜；

301第一偏振分束器，302第二偏振分束器，303第三偏振分束器，304半波片，305合束器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，本发明提供的一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生装置，包括高斯光源模块0，第一轨道角动量调制模块1，第二轨道角动量调制模块2和复用模块3。

如图2所示，所述高斯光源模块0包括：泵浦光源001和起偏器002；所述泵浦光源001产生高斯脉冲光；

所述起偏器002将高斯脉冲光束调制成所需要的偏振态；

所述第一轨道角动量调制模块1包括：第一延时器101，第一四分之一波片102，第一全息光栅开关103，第一螺旋相位板104和第一全反射镜105；

所述第二轨道角动量调制模块2包括：第二延时器201，第二四分之一波片202，第二全息光栅开关203，第二螺旋相位板204和第二全反射镜205；

所述第一延时器101或第二延时器201用于弥补第一轨道角动量调制模块1或第二轨道角动量调制模块2中，因循环往返调制造成的相对时差，保证两路分量的时间一致性；

所述第一四分之一波片102或第二四分之一波片202接收入射光时，入射的线偏振光变为圆偏振光，当圆偏振光经过第一全反射镜105或第二全反射镜205反射回来再次经过该波片时，圆偏振光变为与入射时偏振态正交的线偏振光，即，将水平偏振光转为了竖直偏正光；

所述第一全息光栅开关103或第二全息光栅开关203是利用激光的全息技术，通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，依靠布拉格光栅实现光的选择性反射，其响应速度可达到纳秒的量级。当施加电压时，布拉格光栅将光束反射；当不施加电压时，光束直接透射过晶体；在实际应用中，也可以用其他透射或反射型的光开关代替全息光栅开关；

所述第一螺旋相位板104或第二螺旋相位板204是一种光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件，其目的是控制传输光束的相位，过程与偏振无关。当高斯光束通过透明的螺旋相位板时，由于螺旋相位板的螺旋形表面使透射光束光程的改变不同，引起相位的改变量也不同，使得透射光束产生一个螺旋相位因子，其拓扑荷数为l0。

当光脉冲进入第一轨道角动量调制模块1或第二轨道角动量调制模块2时，先经过第一延时器101或第二延时器201，而后第一四分之一波片102或第二四分之一波片202对光束的偏振态进行第一次旋转，进入由第一全息光栅开关103、第一螺旋相位板104、第一全反射镜105组成的第一往返光路或由第二全息光栅开关203、第二螺旋相位板204、第二全反射镜205所组成的第二往返光路，通过控制第一全息光栅开关103或第二全息光栅开关203的开关时间，可实现特定轨道角动量态的调制；调制好的光脉冲将沿原光路出射，即，再次穿过第一四分之一波片102或第二四分之一波片202、第一延时器101或第二延时器201；其中，每一次穿过第一螺旋相位板104或第二螺旋相位板204都使得轨道角动量的拓扑荷数的绝对值加|l0|；

所述复用模块3包括：第一偏振分束器301、第二偏振分束器302、第三偏振分束器303、半波片304以及合束器305。

所述第一偏振分束器301、第二偏振分束器302或第三偏振分束器303，透射水平偏振光，反射竖直偏振光。

所述半波片304，将竖直偏振光转换为水平偏振光。

所述合束器305，用于耦合来自第二偏振分束器302和第三偏振分束器303的竖直偏振光。

本发明提供了一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生装置，任意偏振态的高斯光束由高斯光源模块0产生，产生的光束通过由偏振分束器301、302、303、半波片304与合束器305组成的复用模块3，分解成偏振方向为水平和偏振方向为垂直的两个偏振分量，并分别被导入第一轨道角动量调制模块1或第二轨道角动量调制模块2。调制模块利用螺旋相位板104、204可分别对两个分量进行偏振无关的轨道角动量调制，其中第一全息光栅开关103或第二全息光栅开关203、第一螺旋相位板104或第二螺旋相位板204、第一全反射镜105或第二全反射镜205共同组成往返光路，通过控制第一全息光栅开关103或第二全息光栅开关203的开关时间，可实现特定轨道角动量态的调制。调制后的两个光分量将返回复用模块3。复用模块3利用合束器305将两个分量光叠加，最后输出轨道角动量态或叠加态。

如图3所示，一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s1：高斯光源模块0根据所需产生的轨道角动量态产生对应偏振态并传输至复用模块3。

步骤s2：上述产生的偏振态进入复用模块3时，先通过第一偏振分束器301，分成上右两支路。右支路经过第二偏振分束器302，与第一轨道角动量调制模块1连接；上支路则经过半波片304和第三偏振分束器303，与第二轨道角动量调制模块2连接；此时，光的状态变为：

具体的，上支路为在垂直方向上，第一偏振分束器301的上方光路；右支路为在水平方向上，第一偏振分束器301的右边光路。

步骤s3：第一和第二轨道角动量调制模块根据所需产生的轨道角动量态调整第一延时器101或第二延时器201的延时参数，保证两路光的时间一致性；其中，|l1>和|l2>是轨道角动量态，l1和l2为拓扑荷数，α²+β²＝1；

具体地，设光在第一全息光栅开关103或第二全息光栅开关203、第一螺旋相位板104或第二螺旋相位板204、第一全反射镜105或第二全反射镜205所组成的往返光路中，往返一次的时间为t0，通过一次螺旋相位板拓扑荷数加l0；则，第一延时器101与第二延时器201的相对延时其中，和为整数。

步骤s4：入射光同时进入第一轨道角动量调制模块1或第二轨道角动量调制模块2，经过一定延时，第一四分之一波片102或第二四分之一波片202对偏振态进行第一次偏振旋转，然后进入第一全息光栅开关103或第二全息光栅开关203、第一螺旋相位板104或第二螺旋相位板204、第一全反射镜105或二全反射镜205组成的往返光路进行oam调制；

其中，光在第一轨道角动量调制模块1中，往返次；光在第二轨道角动量调制模块2中，往返次；调制好的光脉冲将沿原光路出射，即，再次穿过第一四分之一波片102或第二四分之一波片202、第一延时器101或第二延时器201；其中，每一次穿过第一螺旋相位板104或第二螺旋相位板204都使得轨道角动量的拓扑荷数的绝对值加|l0|；此时光的状态变为：

步骤s5：调制后的光经过延时器的时间补偿后，在同一时间被第二偏振分束器302或第三偏振分束器303反射，并且通过合束器305耦合输出；此时光的最终状态变为：

上述的装置与方法，其结构紧凑，制作成本较低，所需器件与技术较为成熟，可高速产生任意拓扑荷数的轨道角动量态及叠加态，速率可达mhz的量级。其中，本装置的速率只受限于全息光栅开关的响应时间。

具体地，设往返时间t0等于全息光栅开关的响应时间ts，预设最大往返次数为n，则整体装置的速率为若设n＝8，t0＝100ns，则整体装置速率可达1.25mhz；随着开关响应时间ts的缩短，速率甚至可达ghz的量级。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。