本申請涉及光通信技術領域，尤其涉及一種光學旋渦(Optical Vortices，OV)光束的軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)檢測裝置。

背景技術：

隨著光通信技術的飛速發(fā)展和密集波分復用(DWDM)技術的廣泛應用，用于光信號傳輸、處理的器件向高集成和陣列化方向發(fā)展，各種高性能和超高速交換系統(tǒng)對其內(nèi)部各元素之間與外部其他系統(tǒng)之間的通信連接都提出了高密度、高帶寬和低損耗的要求。隨著對帶寬需求的增大，電互連已經(jīng)成為高速處理器與高速網(wǎng)絡之間的一個瓶頸。用光互連取代電互連，已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢。同時，隨著并行多處理器等并行技術的發(fā)展，并行光互連已經(jīng)得到了廣泛的重視。光互連是以光子作為信息載體來實現(xiàn)計算單元之間的信息交換。由于光互連的速度高、光波獨立傳播無干擾、互連數(shù)目大，互連密度高、功耗低、能避免“電子瓶頸”、以及可實現(xiàn)波長通道等優(yōu)點，在計算機系統(tǒng)中、信息處理技術等方面的應用是必不可少的，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)交換、消除“電子瓶頸”和拓撲結構等方面。光互連的分類從結構來看，可分為：芯片內(nèi)的互連、芯片之間的互連、電路板之間的互連、計算機之間的互連；從互連所采用的信道來看，可分為：光纖互連、波導互連、自由空間互連等。各種結構有各自的信息處理功能。同時，光互連技術在通信帶寬、等程傳輸、抗電磁干擾及低能耗等方面與電互連相比也有巨大的優(yōu)勢。

光學旋渦(Optical Vortices，OV)是一種波前沿傳播方向具有螺旋形式的光束。當光波相位具有螺旋型波前結構時，波前會繞著傳播方向軸以螺旋方式旋轉。光學旋渦光子都具有確定的軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)軌道角動量是表征光學旋渦的特征參數(shù)。由于旋渦光束自身的干涉相消，光束的遠場衍射圖樣看起來就是一個光亮環(huán)，其中心部分呈暗斑。螺旋型波前和相位奇點就是它兩個主要特征。根據(jù)電場的螺旋相位在傳播一個波長光程內(nèi)繞光軸旋轉2π整數(shù)倍，不同的軌道角動量光束可以用拓撲荷L(Topological Charge)來表征，L可取任意的整數(shù)。理論和實驗表明，這種軌道角動量光束光場中的每個光子具有特定的軌道角動量L。理論上L的可能取值范圍為所有整數(shù)。因此可以利用光學旋渦的拓撲荷完成數(shù)值控制，使其能夠充分應用在光子計算、超導薄膜、量子信息、自由空間光通信等方面。

相關技術中，OAM檢測系統(tǒng)的檢測端是用單模光纖對其中一路信號進行檢測。首先，需要將同軸多路的OAM信號還原成高斯點，將其中一路高斯點耦合進單模光纖，再利用光功率計得到該路信號的能量大小，此方式不僅操作繁瑣，而且測量結果誤差較大。

基于以上原因，需要一種能夠實現(xiàn)并行檢測且提升檢測效率的OAM檢測方案。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有存在的技術問題，本發(fā)明實施例提供一種OV光束的OAM檢測裝置。

為達到上述目的，本發(fā)明實施例的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

一種光學旋渦OV光束的軌道角動量OAM檢測裝置，包括：數(shù)字微鏡器件DMD、透鏡、多模光纖耦合器、多模光纖陣列以及光功率計；其中，

所述透鏡設置在所述DMD產(chǎn)生的衍射光斑處；

所述多模光纖耦合器設置在所述透鏡的焦平面處，并接有所述多模光纖陣列；

所述多模光纖陣列的一端接入所述多模光纖耦合器，另一端連接所述光功率計。

本發(fā)明實施例提供了一種OV光束的OAM檢測裝置，利用多模光纖陣列對攜帶OAM的同軸多路信號同時耦合，在光通信系統(tǒng)的檢測端將同軸多路OAM信號還原成高斯點，然后直接耦合進多模光纖陣列中，從而可以對多路OV光束的能量進行并行檢測，大大提高了檢測效率，能量利用率得到了大幅度的提高。

此外，本發(fā)明實施例中使用多模光纖陣列進行檢測，操作也更加方便可靠。

附圖說明

在附圖(其不一定是按比例繪制的)中，相似的附圖標記可在不同的視圖中描述相似的部件。具有不同字母后綴的相似附圖標記可表示相似部件的不同示例。附圖以示例而非限制的方式大體示出了本文中所討論的各個實施例。

圖1為并行檢測49路OAM信號的OAM檢測裝置框架圖；

圖2為7×7多模光纖耦合器示意圖；

圖3為Flat狀態(tài)下入射DMD光路示意圖；

圖4為ON狀態(tài)下入射DMD光路示意圖；

圖5為Flat狀態(tài)下經(jīng)過f＝40mm透鏡后m＝1級的空間位置示意圖；

圖6為Flat狀態(tài)下經(jīng)過f＝40mm透鏡后7×7陣列排布；

圖7為ON狀態(tài)下經(jīng)過f＝40mm透鏡后7×7陣列排布。

具體實施方式

本申請?zhí)峁┮环NOAM檢測裝置，該裝置可以包括：多模光纖耦合器、透鏡、DMD、多模光纖陣列以及光功率計；其中，所述透鏡設置在所述DMD產(chǎn)生的衍射光斑位置處；所述多模光纖耦合器設置在所述透鏡的焦平面處，并接有所述多模光纖陣列；所述多模光纖陣列的一端接入所述多模光纖耦合器，另一端連接所述光功率計。

在一些實現(xiàn)方式中，所述DMD面板與攜帶多路OAM信號的同軸多路OV光束可以成24°角，以達到最大化的檢測效果。

本申請中，OV光束的OAM檢測裝置，涉及自由空間光通信并行檢測技術，對同軸多路攜帶OAM信號的還原點進行同時耦合。具體地，使用多模光纖陣列對同軸多路被還原的OAM信號進行同時耦合，并行檢測。將多模光纖陣列放置于透鏡的焦平面處，多路OAM信號被還原成多個高斯點，并在透鏡焦點處會聚，在透鏡焦點處直接將多個高斯點耦合進多模光纖陣列，對任意路信號并行檢測其能量的大小。如此，利用OV光束的正交性實現(xiàn)多信道復用，大幅度提高信息傳輸系統(tǒng)的容量，利用光纖陣列同時耦合同軸多路OAM還原點，大幅度提高了檢測效率，并且能量利用率得到了大幅度的提高。

如圖1所示，為并行檢測49路OAM信號的OAM檢測裝置結構示意圖?？梢园ǎ憾嗄９饫w陣列11、多模光纖耦合器12、透鏡13、DMD14。如圖1所示，攜帶OAM的同軸OV光束10經(jīng)過加載不同特殊設計的Dammann光柵全息圖的DMD14衍射后，在空間中產(chǎn)生一個7×7的陣列，將這些同軸多路的OAM信號還原成一個或多個高斯點，經(jīng)過透鏡13后在空間中聚焦，在透鏡13的焦平面處放置多模光纖耦合器12，被還原的一個或多個高斯點被耦合進多模光纖陣列11中，在多模光纖陣列11的另一端接入光功率計(圖1中未示出)，光功率計即可測定該路信道的能量大小，達到并行檢測的目的。實際應用中，可以根據(jù)OV光束的光路數(shù)量調整其結構，特別的，可以根據(jù)輸入的同軸OAM信號數(shù)量和透鏡的焦距大小調整多模光纖陣列11以及多模光纖耦合器12的結構，具體的調整方式可參照圖1所示的示例，在此不再贅述。

如圖2所示為多模光纖耦合器的截面示意圖。根據(jù)不同透鏡的焦距，可以采用多種7×7陣列的多模光纖耦合器。每個多模光纖耦合器對應有兩片，圖2中所示為7×7多模光纖陣列，白色點對應接入49根多模光纖，將該多模光纖耦合器對應放置于不同焦距透鏡的焦平面處，同軸多路OAM信號被還原成高斯點后即可對應耦合進該多模光纖耦合器中，如此，即可實現(xiàn)任意路OAM信號的并行檢測。

所述DMD的存儲器中存儲有程序數(shù)據(jù)，所述程序數(shù)據(jù)使得入射到DMD面板的多路同軸OV光束以衍射的形式輸出到預先設定的區(qū)域。實際應用中，DMD的基底是硅，用大規(guī)模集成電路技術在硅片上制出存儲器，每個存儲器有兩條尋址電極(address electrodes)設置在兩個支撐柱上，通過鉸鏈(torsion hinge)安裝一個微型反射鏡，恰似“蹺蹺板”的結構。每個微反射鏡都能將光線從兩個方向反射出去，實際反射方向則視底層記憶晶胞的狀態(tài)而定；當記憶晶胞處于「ON」狀態(tài)時，反射鏡會旋轉至+12度，若記憶晶胞處于「OFF」狀態(tài)，反射鏡會旋轉至-12度，另外，未加尋址信號反射鏡則對應0度「Flat」狀態(tài)。也就是說，DMD每個單元都有三個穩(wěn)態(tài)：+12度、-12度、0度。只要結合DMD以及適當光源和投影光學系統(tǒng)，微型反射鏡就會把入射光反射進入或是離開投影鏡頭的透光孔，使得「ON」狀態(tài)的反射鏡非常明亮，「OFF」狀態(tài)的反射鏡黑暗。利用二位脈沖寬度調變可以得到灰階效果，如果使用固定式或旋轉式彩色濾鏡，再搭配一顆或三顆DMD芯片，即可得到彩色顯示效果。實際應用中，可以通過計算機寫入DMD的程序數(shù)據(jù)到其存儲器中，以便將入射到DMD面板的光束以衍射的形式輸出到預先設定的區(qū)域，所述預先設定的區(qū)域可以是透鏡放置的位置，透鏡聚焦后的位置是多模光纖陣列的空間位置。

實際應用中，DMD主要的工作方式是依據(jù)后端電路傳遞給CMOS芯片的不同信號，調控片上每個微鏡的旋轉位置，進而使得照射在微鏡上的光線有選擇的反射道不同方向。DMD可以包括電路部、機械部和光學部。其中，電路部為控制電路，機械部用于控制鏡片轉動的機械結構，光學部包含可轉動的鏡片，該鏡片分布在DMD面板上，體積微小。當DMD正常工作的時候，光線進入DMD，DMD面板上的鏡片通過轉動來反射所述光線，每個所述鏡片的旋轉都由所述電路部來控制。

本申請中，在各衍射級次間平均地分配能量并寫入DMD二值化的振幅調制全息圖，輸出成7×7的陣列以對應7×7多模光纖陣列，DMD加載DMD加載二值化振幅調制全息圖，用于還原同軸多路的OAM信號，。如此，在光通信系統(tǒng)的檢測端，通過多模光纖陣列，可以直接測量任意路的能量大小，達到并行檢測的目的，大大提高系統(tǒng)的檢測效率。此外，由于多模光纖比單模光纖芯徑粗，數(shù)值孔徑大，能從光源耦合更多的光功率，操作比單模器件方便可靠。

實際應用中，攜帶多路OAM信號的同軸多路的OV光束經(jīng)過自由空間傳輸后，在檢測端通過加載不同全息圖的數(shù)字微鏡器件(DMD，Digital Micromirror Device)在空間中產(chǎn)生一系列的衍射光斑，經(jīng)過透鏡聚焦后在透鏡的焦平面會聚，根據(jù)反射型光柵方程和DMD的衍射性質可以確定出7×7陣列(即49路同軸的OAM信號)在不同焦距透鏡聚焦下的空間坐標，該空間坐標即為7×7多模光纖陣列的空間坐標，如此，可確定多模光纖陣列的具體空間位置，以得到準確接收49路同軸的OAM信號，進而測量出OAM信號的能量大小，達到并行檢測的目的。

在一些實現(xiàn)方式中，所述多模光纖陣列的空間坐標因所述DMD的穩(wěn)態(tài)不同而不同。

下面以7×7多模光纖陣列為例詳細說明多模光纖陣列空間坐標的確定方法。

7×7多模光纖陣列空間坐標的具體計算方法可以包括如下步驟：

(1)如圖3所示，當DMD處于Flat狀態(tài)時，DMD上加載有Dammann光柵，光柵周期d₁＝0.157mm，圖3中無箭頭虛線為入射光法線，入射光波長為1550nm，入射角i＝8°，θ₀＝i＝0.1396(弧度)，根據(jù)光柵方程d₁(sini-sinθ₁)＝mλ得到m＝1級次上的衍射角θ₁＝0.1297(弧度)。

(2)如圖4所示，當DMD處于ON狀態(tài)時，DMD上的微透鏡陣列翻轉12°，DMD開始工作，保持入射光角度不變，此時的法線為圖4中無箭頭虛線虛線所示，此時，入射光角度為i'＝20°，光柵周期即為DMD鏡片的周期d₂＝13.68μm，根據(jù)光柵方程d₂(sini'-sinθ′₁＝mλ得到衍射級次m＝1級次上的衍射角θ′₁＝0.2307(弧度)。

(3)如圖5所示，當DMD的鏡片轉動后，此時的m＝1級被閃耀到更高級的級次上，而對于同一條m＝1級的衍射譜線夾角有：α＝Δθ-Δi＝(θ'-θ)-(i'-i)，根據(jù)該公式，計算m＝1級DMD在兩種狀態(tài)下的譜線夾角 α₁＝(θ′₁-θ₁)-(i'-i)＝-0.1085(弧度)。

(4)計算Flat狀態(tài)下，m＝1級的衍射光譜空間坐標：

當m＝1級的衍射光譜經(jīng)過f＝40mm的透鏡聚焦后有：L＝ftan(θ₀-θ₁)＝0.396mm，即為圖6中點0到點7的距離。

(5)計算Flat狀態(tài)下，經(jīng)過f＝40mm的透鏡聚焦后，7×7陣列的空間坐標，由(4)中得到點0到點7的距離為L＝0.396mm，即為m＝1級的位置，根據(jù)上述步驟(1)(2)(3)(4)，得到m＝2級的位置(點8)和m＝3級的位置(點9)，計算得到點0到點8距離為0.7961mm，點0到點9距離為1.1964mm。在DMD為Flat狀態(tài)下，7×7陣列為正方形排布，根據(jù)點0到點7的距離、點0到點8距離以及點0到點9距離，可得到該陣列中每一點的空間坐標，此空間坐標即為Flat狀態(tài)下7×7多模光纖陣列的空間坐標。

(6)計算ON狀態(tài)下，經(jīng)過f＝40mm的透鏡聚焦后，7×7多模光纖陣列的空間坐標：如圖7所示，此時的陣列為菱形排布，y方向位置坐標保持不變，而在x方向上由于衍射級次的變化，會有一個橫向的拉伸，由(2)可知點7與y軸之間夾角變?yōu)棣?4+α₁，在(5)的基礎上可以得到此時點7的位置坐標，而點7為點1和點4之間的中間點，點1位置不變，即可求得點4的位置坐標。再結合(5)的結構可得到此時7×7陣列中每一點的坐標，即為多模光纖耦合器的空間坐標。再結合不同透鏡的焦距f，即可得到多種不同焦距f聚焦下7×7多模光纖陣列的空間坐標。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。