CN104601245B - 一种能产生并传输射频轨道角动量的光学链路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能产生并传输射频轨道角动量的光学链路。目前的射频轨道角动量波束直径随着传播距离的增加而显著变大，会造成接收端接收困难。本发明包括光载射频链路和自由空间光学链路，所述的光载射频链路包括激光器、电光调制器、光放大器、光电探测器；射频信号通过电光调制器调制到激光器发出的光束上，该光束进入自由空间光学链路输入端；从自由空间光学链路输出端出来的光束经过光放大器放大后进入光电探测器实现射频信号的恢复。本发明结合了射频轨道角动量波束不易受到干扰的特点与光频轨道角动量波束不易发散的特点，改善了轨道角动量波束传播的质量，减小了波束的畸变，从而提高了波束的传输效率。

Description

一种能产生并传输射频轨道角动量的光学链路

技术领域

本发明涉及产生与传输携带轨道角动量波束领域，尤其涉及一种产生并传输射频轨道角动量的光学链路。

背景技术

随着通信使用量的增加，频谱资源日趋减少，提高通信***的容量和速率已经成为了首要问题。电磁波的角动量分为自旋角动量与轨道角动量，自旋角动量对应于波束的极化状态，而轨道角动量则还没有被使用。因此，利用轨道角动量是一种提高频谱效率的新方法。携带轨道角动量的电磁波具有螺旋形的相位波前，此相位与空间方位角和轨道角动量的模态数有关。模态数不同的轨道角动量波束是完全正交的，所以具有可复用性。当有几个不同轨道角动量模态数的波束通过复用合在一个波束上，其中每个轨道角动量都携带独立数据，那么通信***的容量和频谱效率就提高了几倍。理论上，轨道角动量的模态数是可以取到无穷大的。因此，利用携带轨道角动量的波束来提高通信***的容量和频谱效率具有很好的发展前景。

目前，对于轨道角动量的研究分别集中在光频和射频波段。光频轨道角动量波束的产生方法主要有全息图形，螺旋相位板等，射频轨道角动量波束的产生方法主要有螺旋相位板，赋型天线，阵列天线等。这两种轨道角动量波束都有各自的不足之处。由于光波的波长小，光频轨道角动量波束的相位容易受到散射和大气湍流影响，使得波束发生畸变。射频轨道角动量波束直径随着传播距离的增加而显著变大，会造成接收端接收困难。这两种情况均不利于轨道角动量波束的远距离传播。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用光载射频技术、自由空间光学，设计光学链路，从而产生并传输携带射频轨道角动量波束的光学链路。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：

本发明包括光载射频链路和自由空间光学链路，所述的光载射频链路包括激光器、电光调制器、光放大器、光电探测器；射频信号通过电光调制器调制到激光器发出的光束上，该光束进入自由空间光学链路输入端；从自由空间光学链路输出端出来的光束经过光放大器放大后进入光电探测器实现射频信号的恢复；所述的自由空间光学链路包括第一准直器、第二准直器、第一分束器、第二分束器、第一反射镜和第二反射镜；第一准直器作为自由空间光学链路的输入端，空间光波束通过第一分束器透射到第一反射镜上，反射的空间光波束经过第一分束器反射到第二分束器，再通过第二分束器透射到第二反射镜上，第二反射镜反射的空间光波束通过第二分束器反射到第二准直器，第二准直器作为自由空间光学链路的输出端。

所述的第一反射镜或第二反射镜在不同方位角反射光束的空间位置不同，使得同一空间光波束上不同方位角的光程不同，从而改变射频信号的相位。

所述的第一反射镜反射的空间光波束携带有射频轨道角动量信号。

所述的第一反射镜和第二反射镜结构相同，形状互补；第二反射镜将不同方位角的光程进行补偿，从而将光束上的射频信号的相位还原，恢复原始信号。

所述的第一反射镜和第二反射镜在周向上均是阶梯状结构，每个阶梯之间的高度差远大于光波长，但与射频信号的波长在同一数量级，通过改变每个阶梯之间的高度差实现对射频信号随方位角的移相。两个相邻的阶梯结构的高度差为D，则相邻阶梯结构反射光束的延时差Δτ为：

其中c为真空中光速，造成的射频信号相位的差异为：

其中f_RF为射频信号的频率。由于轨道角动量波束的相位随方位角周期性变化的特性，相邻的阶梯结构对射频信号相位的改变差满足：

其中l为轨道角动量的模态，N为整个周向上阶梯结构的个数。

本发明的有益效果：经过光载射频理论分析、自由空间光学设计的光学链路可以产生携带射频轨道角动量的光波束，能克服射频轨道角动量波束发散性大的缺点，也能改善光频轨道角动量波束容易受到干扰的问题。因此，此链路能提高轨道角动量通信的效率，同时可以增加通信的距离。

附图说明

图1产生并传输射频轨道角动量的光学链路；

图2特殊设计的反射镜示意图；

图3为反射后空间光波束中射频信号的相位示意图；

图4特殊设计的反射镜的侧视图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

产生并传输射频轨道角动量的光学链路的主要框图如图1所示。图中激光器1-1、电光调制器1-2、光放大器1-3、光电探测器1-4组成了光载射频链路Ⅰ，实现了射频信号的调制以及对射频信号的解调。射频信号通过电光调制器调制到激光器发出的光束上，接收端通过光电探测器将射频信号恢复。图1中第一准直器2-1、第二准直器2-2、第一分束器2-3、第二分束器2-4、第一反射镜2-5和第二反射镜2-6构成了自由空间光学链路Ⅱ，实现了射频轨道角动量的生成与补偿。光束经过自由空间光学链路相当于实现了一次射频轨道角动量的调制与解调。在第一反射镜和第二反射镜之间传输的光束为携带射频轨道角动量的光波束。由于此链路中射频轨道角动量是携带在空间光波束上传输的，所以克服了射频轨道角动量波束方向角较大的缺点。同时由于空间光波束上传输的是射频轨道角动量，对应的周向相位变化为射频的相位变化。所以微小的扰动相对于射频波长来说可以忽略不计，也改善了光频轨道角动量波束容易受到干扰的缺点。

图2为特殊设计的第一反射镜2-5和第二反射镜2-6的结构示意图。从准直器出来的空间光入射到反射镜的中心。可以看到特殊设计的反射镜沿周向具有阶梯状结构，每个阶梯之间的高度差远大于光波长，但与射频信号的波长在同一数量级，通过改变每个阶梯之间的高度差实现对射频信号随方位角的移相。图3为反射后空间光波束中射频信号的相位示意图。

图4为特殊设计反射镜的侧视图。如图，两个相邻的阶梯结构的高度差为D，则照射到上半部分光束与下半部分的光束的延时差为

其中c为真空中光速，造成的射频信号相位的差异为

其中f_RF为射频信号的频率。由于轨道角动量波束的相位随方位角周期性变化的特性，相邻的阶梯结构对射频信号相位的改变差应该满足

其中l为轨道角动量的模态，N为整个圆周上阶梯结构的个数。

根据以上原理，将带有特殊设计反射镜的自由空间光学链路加入光载射频链路中，在两块特殊设计反射镜间的光束就会携带着相位涡旋分布的射频轨道角动量，从而此混合光学链路就能同时实现携带有射频轨道角动量的光束的产生与传输。

Claims (1)

1.一种能产生并传输射频轨道角动量的光学链路，其特征在于：包括光载射频链路和自由空间光学链路，所述的光载射频链路包括激光器、电光调制器、光放大器、光电探测器；射频信号通过电光调制器调制到激光器发出的光束上，该光束进入自由空间光学链路输入端；从自由空间光学链路输出端出来的光束经过光放大器放大后进入光电探测器实现射频信号的恢复；所述的自由空间光学链路包括第一准直器、第二准直器、第一分束器、第二分束器、第一反射镜和第二反射镜；第一准直器作为自由空间光学链路的输入端，空间光波束通过第一分束器透射到第一反射镜上，反射的空间光波束经过第一分束器反射到第二分束器，再通过第二分束器透射到第二反射镜上，第二反射镜反射的空间光波束通过第二分束器反射到第二准直器，第二准直器作为自由空间光学链路的输出端；

所述的第一反射镜或第二反射镜在不同方位角反射光束的空间位置不同，使得同一空间光波束上不同方位角的光程不同，从而改变射频信号的相位；

所述的第一反射镜反射的空间光波束携带有射频轨道角动量信号；

所述的第一反射镜和第二反射镜结构相同，形状互补；第二反射镜将不同方位角的光程进行补偿，从而将光束上的射频信号的相位还原，恢复原始信号；

所述的第一反射镜和第二反射镜在周向上均是阶梯状结构，每个阶梯之间的高度差远大于光波长，但与射频信号的波长在同一数量级，通过改变每个阶梯之间的高度差实现对射频信号随方位角的移相；两个相邻的阶梯结构的高度差为D，则相邻阶梯结构反射光束的延时差Δτ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}=-\frac{2D}{c}$

其中c为真空中光速，造成的射频信号相位的差异为：

其中f_RF为射频信号的频率；由于轨道角动量波束的相位随方位角周期性变化的特性，相邻的阶梯结构对射频信号相位的改变差满足：

其中l为轨道角动量的模态，N为整个周向上阶梯结构的个数。