间隔轨道角动量的三环复合涡旋光束光信息编码方法

1.本发明属于光通信编码技术领域，具体涉及一种间隔轨道角动量的三环复合涡旋光束光信息编码方法。


背景技术：

2.1992年allen等人发现涡旋光束具有新型的相位空间分布，即具有螺旋形波前结枃，涡旋光束因其独特的光场结构以及不同oam模式间的相互正交性和oam态的取值多样性，使得它在量子信息处理、生物医学、光学微操控、量子编码等领域得到了广泛的应用，特别在空间光通信领域更具有潜在的应用价值。
3.利用光的维度将数字信号进行编码是光通信的重要基础，传统的编码依赖于光的振幅、频率和相位等维度来实现大容量通信，该方式具有信息传输速率低、占用频带宽等缺点。随着传递的信息量不断增大，传统的编码方法已经不能满足人们对更大信道容量通信系统的需求，因此必须寻找新的光学编码维度来实现更大容量的信息传输。涡旋光束的oam作为一个新的光学维度，该编码方式具有信道容量大、传输速率高等优点，可解决光学编码中传输容量紧缩的问题。拉盖尔高斯(lg)涡旋光束作为一种特殊的涡旋光束，引起了国内外学者的广泛关注，其携带oam的光束在复用通信系统中应用相对比较成熟，这为oam编码通信系统奠定了基础。目前学者对双束lg光束共轴叠加形成的双环复合涡旋光束编码研究比较成熟，三束lg光束共轴叠加形成的三环复合涡旋光束编码尚未研究，并且以往的编码方式在接收端解码时，相邻的两个复合涡旋光束容易混淆，使得解码时误码率提升。为了降低误码率，提高传输的可靠性，因此提出将三束lg光束的oam间隔取样再叠加编码，形成一种间隔oam的三环复合涡旋光束光信息编码方法，三环复合涡旋光束编码提高了更强的编码信息编码能力，这对空间光通信尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种间隔轨道角动量的三环复合涡旋光束光信息编码方法，解决了现有通信中信道容量小、传输效率低、误码率高的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，间隔轨道角动量的三环复合涡旋光束光信息编码方法，具体包括如下步骤：
6.步骤1：推导各阶lg光束沿z轴传输时的光场复振幅表达式；
7.步骤2：依据步骤1，写出叠加后的复合涡旋光束光强分布公式；
8.步骤3：确定出便于解码识别的lg光束的模式值组合；
9.步骤4：仿真选定模式值叠加后的复合涡旋光束光强分布图，并把光强分布图归一化；
10.步骤5：对三环涡旋光束仿真的光强图进行编码。
11.本发明的特征还在于，
12.步骤1具体按照以下步骤实施：
13.描述拉盖尔高斯光束的数学函数是亥姆霍兹方程的一个近轴近似解，在近轴近似下，亥姆霍兹方程表示为：
[0014][0015]
根据已有的拉盖尔高斯光束沿z轴方向传输的光场表达式，表达式如下：
[0016][0017]
其中，z为传输距离,为光斑尺度，式中ω0为z＝0时的束腰半径，为缔合拉盖尔多项式，κ＝2π/λ为波矢，λ为波长，为缔合拉盖尔多项式，κ＝2π/λ为波矢，λ为波长，为瑞利长度，(2p+|l|+1)tan-1
(z/zr)为古伊相位；
[0018]
推导出径向指数p＝0和p≠0的光场表达式，当p＝0时，此时，lg光束在z处的光场复振幅表达式为：
[0019][0020]
当p≠0时，由式(2)可得，lg光束在z处的光场复振幅表达式为：
[0021][0022]
步骤2具体按照以下步骤实施：
[0023]
将两束lg光束和进行叠加，得到叠加后的复振幅表达式为：
[0024][0025]
则复合涡旋光束的光强分布表达式为：
[0026][0027]
基于两束lg光束的叠加原理，推导出三束lg光束和进行叠加后的复振幅表达式为：
[0028][0029]
同理，复合涡旋光束的光强分布表达式为：
[0030][0031]
步骤3具体按照以下步骤实施：
[0032]
三束lg光束均使用同间隔oam的方式，即采取三束lg光束均使用同间隔oam的方式，即采取和和共轴叠加得到32组三环复合涡旋光束。
[0033]
步骤4具体按照以下步骤实施：
[0034]
三束lg光均采用he-ne激光器产生波长为λ＝632.8nm的lg光束，依据公式(3)～(8)，对步骤3中选取的模式组合(8)，对步骤3中选取的模式组合和和进行matlab共轴叠加仿真，可得到32组三环复合涡旋光束光强图，并对其进行归一化处理。
[0035]
步骤5具体按照以下步骤实施：
[0036]
对每个三环复合涡旋光束的光强分布进行5位二进制编码，对应可得到32组5位二进制序列，即00000～11111。
[0037]
本发明的有益效果是：在光通信中，空间模式编码技术可并行利用不同的正交电磁模式以提升信道容量，而oam模式是空间模式编码中的模式之一，根据不同oam模式的正交性可增加信道容量。本发明方法的三环复合涡旋光束，取模式值时oam均采用间隔取样，一是为了减少编码的信息位，提高信息传输速率。二是可以解决连续oam的三环复合涡旋光束在接收端解码时，相邻光束光强图容易混淆等问题，因此oam间隔取样也降低了解码时的误码率。
附图说明
[0038]
图1是径向指数相同、拓扑荷数不同的两束lg光束叠加后的双环复合涡旋光束光强分布图；
[0039]
图2是拓扑荷数相同、径向指数不同的两束lg光束叠加后的双环复合涡旋光束光强分布图；
[0040]
图3是32组两束lg光束叠加后的双环复合涡旋光束光强分布图；
[0041]
图4是32组三束lg光束叠加后的三环复合涡旋光束光强分布图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0043]
本发明提供一种间隔轨道角动量的三环复合涡旋光束光信息编码方法，选择he-ne激光器产生波长为λ＝632.8nm的激光束，产生三束不同oam的lg光束进行叠加，并对三束lg光束叠加后的三环复合涡旋光束进行编码，具体包括如下步骤：
[0044]
步骤1：推导各阶lg光束沿z轴传输时的光场复振幅表达式；
[0045]
步骤1具体按照以下步骤实施：
[0046]
描述拉盖尔高斯光束的数学函数是亥姆霍兹方程的一个近轴近似解，在近轴近似下，亥姆霍兹方程表示为：
[0047][0048]
根据已有的拉盖尔高斯光束沿z轴方向传输的光场表达式，表达式如下：
[0049][0050]
其中，z为传输距离,为光斑尺度，式中ω0为z＝0时的束腰半径，为缔合拉盖尔多项式，κ＝2π/λ为波矢，λ为波长，为缔合拉盖尔多项式，κ＝2π/λ为波矢，λ为波长，为瑞利长度，(2p+|l|+1)tan-1
(z/zr)为古伊相位；
[0051]
推导出径向指数p＝0和p≠0的光场表达式，当p＝0时，此时，lg光束在z处的光场复振幅表达式为：
[0052][0053]
当p≠0时，由式(2)可得，lg光束在z处的光场复振幅表达式为：
[0054][0055]
步骤2：依据步骤1，写出叠加后的复合涡旋光束光强分布公式；
[0056]
步骤2具体按照以下步骤实施：
[0057]
将两束lg光束和进行叠加，得到叠加后的复振幅表达式为：
[0058][0059]
则复合涡旋光束的光强分布表达式为：
[0060][0061]
基于公式(2)～(6)，对径向指数相同、拓扑荷数不同的两束lg光束和共轴叠加，仿真得到如图1所示的双环复合涡旋光束光强分布图；由图1可以看出，光强分布呈现明亮的环形光斑，环数为p+1，且每层光斑的数目均为|l
2-l1|。
[0062]
基于公式(2)～(6)，对拓扑荷数相同、径向指数不同的两束lg光束和共轴叠加，仿真得到如图2所示的双环复合涡旋光束光强分布图；由图2可以看出，光强分布呈现明亮的多环状，每一行可随着拓扑荷数l＝|l1|＝|l2|的增加，各环的半径也逐渐增大；每一列随着径向指数
增加，环数也逐渐增加，且环数为p＝max(p1,p2)+1。
[0063]
基于公式(2)～(6)，仿真32组两束lg光束叠加后的双环复合涡旋光束光强分布图；分别取和和进行共轴叠加。由图3可以看出，叠加后的光强分布呈现明亮的环形光斑，光斑数为|l
2-l1|，环数p＝max(p1,p2)+1。可描述复合涡旋光束为1环6光斑、为2环12光斑、为4环8光斑。
[0064]
基于两束lg光束的叠加原理，推导出三束lg光束和进行叠加后的复振幅表达式为：
[0065][0066]
同理，复合涡旋光束的光强分布表达式为：
[0067][0068]
步骤3：确定出便于解码识别的lg光束的模式值组合(拓扑荷数和径向指数取值)；
[0069]
步骤3具体按照以下步骤实施：
[0070]
为了同时保证编码的有效性和可靠性，三束lg光束均使用同间隔oam的方式，即采取取和和共轴叠加得到三环复合涡旋光束。
[0071]
步骤4：仿真选定模式值叠加后的复合涡旋光束光强分布图，并把光强分布图归一化；
[0072]
步骤4具体按照以下步骤实施：
[0073]
三束lg光均采用he-ne激光器产生波长为λ＝632.8nm的lg光束，依据公式(2)～(4)和公式(7)～(8)，对步骤3中选取的模式组合(4)和公式(7)～(8)，对步骤3中选取的模式组合和24,28,32}进行matlab共轴叠加仿真，可得到32组三环复合涡旋光束光强图，并对其进行归一化处理，结果如图4所示。由图4可以看出，叠加后的光强分布呈现明亮的环形光斑，环数p＝max(p1,p2,p3)+1，由内到外，每层的光斑数依次为|l
2-l1|和|l3–
l2|，其余为包络圆环。可以描述三环复合涡旋光束为2环，内层5光斑，外层6光斑；描述为3环，内层11光斑，中间层12光斑，外层为包络圆环。
[0074]
步骤5：对三环涡旋光束仿真的光强图进行编码。
[0075]
步骤5具体按照以下步骤实施：
[0076]
由步骤4可知，会得到32组不同的三环复合涡旋光束光强图，对每个三环复合涡旋光束的光强分布进行5位二进制编码，对应可得到32组5位二进制序列，即00000～11111，如
表1所示。例如：对应的编码为“00010”，对应的编码为“10101”。
[0077]
表1 32组三环复合涡旋光束对应的编码
[0078]