一種模式和空間光交換的方法和裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種模式和空間光交換的方法和裝置，該方法輸入多路光場經過模式交換、空間交換、模式和空間交換傳遞函數的變換操作對應實現模式光交換、空間光交換以及模式和空間同時光交換。該裝置包括N個端口的輸入模塊和輸出模塊，以及帶N個模式和空間光交換單元的光交換模塊。每個模式和空間光交換單元分別對每個輸入模塊的一個端口單獨進行變換操作，對應輸出模塊的一個端口輸出。本發明專利技術適用于呈不同空間位置排列且具有相同或者不同光場模式的多路光場，能與自由空間、單、少、多模光纖、多芯光纖、少/多模?多芯光纖、高折射率環形光纖/空氣芯光纖/光子晶體光纖等軌道角動量光纖所構建的光通信系統充分兼容，具有可兼容性。

Method and apparatus for mode and spatial optical switching

The invention discloses a method and a device model and space optical switching, the method of multi input optical field through mode exchange, exchange, spatial pattern and spatial exchange corresponding transform operation transfer function realization mode of optical switching, optical switching and mode of space and space with time exchange. The device comprises an input module and an output module of a N port, and an optical switching module with a N mode and a spatial optical switching unit. Each mode and the space optical switching unit respectively carry out the conversion operation to one port of each input module, and the output port of the output module is connected with the output port. The invention is applicable to a different spatial location arrangement with the same or different light field mode multi-channel light field, with the free space, single, less, multimode fiber, multi-core optical fiber, less / multimode multi core fiber, high refractive index optical communication fiber ring / fiber / air core photonic crystal fiber track the angular momentum of optical fiber constructed fully compatible with compatibility.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于光通信和信息光學領域，涉及一種模式和空間光交換的方法和裝置。
技術介紹
在經濟全球化和全球信息化加速發展的背景下，互聯網服務己逐漸成為現代服務業重要的組成部分，并成為世界經濟和社會發展的重要推動力量。云服務作為下一代互聯網服務的主流模式，將網絡中的各種資源調動起來，為用戶提供個性化、低成本的高效服務，成為未來互聯網的重要發展趨勢，也將成為現代服務業的核心。云服務正在讓網絡越來越多的扮演著分布式計算機接口的角色，這類型應用所需的網絡帶寬和數據處理能力是極大的。根據目前的發展速度，整個網絡的容量將在未來十年至少提升100倍，而同期常規單模光纖通信系統容量的提升將會落后網絡流量增速一個數量級。因此，如何可持續提高通信系統容量，以應對不斷增長的容量需求，已成為了光通信亟待解決的關鍵問題。所有的光通信技術追根溯源都是圍繞光波的維度資源展開，光波的基本維度資源包括幅度、相位、頻率/波長、偏振、時間和橫向空間分布。提升通信容量的各種復用技術和先進高級調制技術正是對光波的幅度、相位、頻率/波長、偏振和時間維度資源的充分利用，但隨著這些熟知光波維度資源被開發殆盡，光通信開始顯現“新容量危機”。為了進一步提高光通信系統的容量，空分復用技術(Space-DivisionMultiplexing，SDM)在國內外引起了廣泛關注。空分復用技術利用光子的空間維度，包括基于多模光纖或少模光纖的模分復用技術和基于多芯光纖的芯分復用技術。模分復用技術是指將不同的正交空間模式作為不同的傳輸信道，從而實現空間復用的技術。芯分復用是指空間上不同位置纖芯之間的復用，不同纖芯之間能量耦合很小，能保證穩定傳輸。類似在光通信發展過程中獲得重大成功的波分復用(不同波長取值多樣且正交)技術，空分復用技術作為一種全新的光纖中的信道復用技術也能有效提高光通信的通信容量。同時，更大的數據量意味著更多的信息交互，因此，也迫切需要研究和發展新型大容量，高可靠度，低功耗，靈活開放的光交換技術。在波分復用系統中，波長選擇開光已經廣泛應用來實現信息交換，但是在空分復用系統中，類似作用的開關卻很少。因此，在空分復用系統中，實現模式選擇和空間選擇開光是非常有必要的。
技術實現思路
本專利技術提供一種模式和空間光交換的方法和裝置，目的在于在空分復用系統中實現信息交換，目標是構建并實現高可靠度，低功耗，靈活開放的模式和空間光交換，以便擴展和完善空分復用系統應用范圍，通過空分復用技術進一步提高通信系統的容量。本專利技術提供的一種模式和空間光交換的方法，其特征在于，輸入多路光場位于不同空間位置，其具有相同或不同光場模式，經過模式和空間光交換傳遞函數的變換操作之后，輸出多路光場；當傳遞函數僅實現模式交換時，所述輸出多路光場相對于輸入多路光場僅發生光場模式交換，不發生空間位置交換；當傳遞函數僅實現空間交換時，所述輸出多路光場相對于輸入多路光場不發生光場模式交換，僅發生空間位置交換；當傳遞函數同時實現模式和空間交換時，輸出多路光場相對于輸入多路光場能夠同時發生光場模式交換和空間位置交換。作為上述技術方案的改進，所述輸入多路光場經過空間光交換之后，再分別經過波前矯正的傳遞函數的變換操作對偏轉進行矯正，使輸出多路光場與原來輸入多路光場傳播方向平行，輸出多路光場和輸入多路光場保持平行能夠實現該模式和空間光交換方法具有可級聯性，即平行輸出的多路光場能夠繼續作為下一級模式和空間光交換的輸入多路光場。所述光場模式可以是自由空間、光纖以及其他傳輸媒介中不同光束或模式，包括自由空間中高斯光束(Gauss)、軌道角動量光束(OAM)、渦旋光束、拉蓋爾-高斯光束(LG)、厄米-高斯光束(HG)、貝塞爾光束(Bessel)、矢量光束(Vector)及其他空間幅度/相位/偏振調制光束，以及光纖中本征模式(Eigenmodes)、線偏振模式(LP)和軌道角動量模式(OAM)。本專利技術提供的一種模式和空間光交換的裝置，其特征在于，該裝置包括輸入模塊，光交換模塊和輸出模塊；其中，輸入模塊和輸出模塊均有N端口，N為正整數，表示輸入模塊所具有的端口數；光交換模塊有N個光交換單元，每個光交換單元分別對每個輸入模塊的一個端口單獨進行變換，對應輸出模塊的一個端口輸出；光交換單元包括模式光交換單元、空間光交換單元、模式和空間光交換單元中的任一種或任幾種；所述模式光交換單元對來自輸入端口的光場僅發生光場模式變化，不發生端口之間的交換；所述空間光交換單元對來自輸入端口的光場不發生光場模式變換，僅發生不同端口之間的交換；所述模式和空間光交換單元對來自輸入端口的光場不僅發生光場模式變換，也發生不同端口之間的交換。作為上述技術方案的改進，所述光交換模塊與輸出模塊之間設置有波前矯正模塊，用于將使經過空間光交換單元之后的光場與原來的輸入端口光場的傳播方向平行，進入后續輸出端口；波前矯正模塊包括N個波前矯正單元，分別對N個輸入端口經過對應空間光交換單元之后的光場進行單獨的波前矯正，使之從后續輸出端口輸出時與輸入端口光場平行。這樣，輸出端口和輸入端口光場保持平行可以實現該模式和空間光交換裝置的可級聯性。也就是說，輸出端口平行輸出的多路光場可以繼續作為下一級模式和空間光交換裝置的輸入端口多路光場。作為上述技術方案的進一步改進，所述光交換模塊是包含衍射光學元件、空間光調制器和3D打印光學元器件在內的能夠實現空間幅度/相位/偏振調制且具有模式和空間光交換功能的器件。作為上述技術方案的更進一步改進，所述波前矯正模塊是包含衍射光學元件、空間光調制器和3D打印光學元器件在內的能夠實現波前矯正功能的器件。本專利技術裝置能夠與包括自由空間、單模光纖、少模光纖、多模光纖、多芯光纖、少模/多模-多芯光纖、高折射率環形光纖/空氣芯光纖/光子晶體光纖的軌道角動量光纖所構建的光通信系統充分兼容，具有可兼容性和可級聯性。本專利技術具有如下有益效果：1、本專利技術提供一種模式和空間光交換的方法，使輸入光場通過不同的傳遞函數變換實現模式和空間光交換，用于空分復用系統中，實現模式選擇和空間選擇開關，實現不同信道之間的信息交換。2、本專利技術提供的一種模式和空間光交換的方法和裝置，利用不同的傳遞函數實現不同的交換功能，只需在不同的模式和空間光交換單元中加載不同的傳遞函數就能實現多種信息交換功能，因此具有可重構性。3、本專利技術提供的一種模式和空間光交換的方法和裝置，可以將輸入模塊、輸出模塊的端口數以及光交換模塊的交換單元、波前矯正模塊的矯正單元擴展，實現更多信道的信息交換，因此具有可擴展性。光交換模塊以及波前矯正模塊可以是衍射光學元件、空間光調制器、3D打印光學元器件等其他可以實現空間幅度/相位/偏振調制且具有模式和空間光交換功能以及波前矯正功能的器件。4、本專利技術提供的一種模式和空間光交換的方法和裝置，適用于呈不同空間位置排列且具有相同或者不同光場模式的多路光場，其中光場模式可以是自由空間、光纖以及其他傳輸媒介中不同光束(模式)，比如自由空間中高斯光束(Gauss)、軌道角動量(渦旋)光束(OAM)、拉蓋爾-高斯光束(LG)、厄米-高斯光束(HG)、貝塞爾光束(Bessel)、矢量光束(Vector)及其他空間幅度/相位/偏振調制光束，又比如光纖中本征模式(Ei本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種模式和空間光交換的方法，其特征在于，輸入多路光場位于不同空間位置，其具有相同或不同光場模式，經過模式和空間光交換傳遞函數的變換操作之后，輸出多路光場；當傳遞函數僅實現模式交換時，所述輸出多路光場相對于輸入多路光場僅發生光場模式交換，不發生空間位置交換；當傳遞函數僅實現空間交換時，所述輸出多路光場相對于輸入多路光場不發生光場模式交換，僅發生空間位置交換；當傳遞函數同時實現模式和空間交換時，輸出多路光場相對于輸入多路光場能夠同時發生光場模式交換和空間位置交換。

【技術特征摘要】
1.一種模式和空間光交換的方法，其特征在于，輸入多路光場位于不同空間位置，其具有相同或不同光場模式，經過模式和空間光交換傳遞函數的變換操作之后，輸出多路光場；當傳遞函數僅實現模式交換時，所述輸出多路光場相對于輸入多路光場僅發生光場模式交換，不發生空間位置交換；當傳遞函數僅實現空間交換時，所述輸出多路光場相對于輸入多路光場不發生光場模式交換，僅發生空間位置交換；當傳遞函數同時實現模式和空間交換時，輸出多路光場相對于輸入多路光場能夠同時發生光場模式交換和空間位置交換。2.根據權利要求1所述的模式和空間光交換的方法，其特征在于，所述每一路光場的表達式如公式(1)所示，其中，N為正整數，表示輸入光場的端口數，x,y表示光場垂直于傳播方向的橫向空間坐標位置，z為平行于傳播方向的空間坐標，F1N(x,y)表示輸入光場的空間橫向分布，表示輸入光場函數，|A1N(z)|表示輸入光場的幅度函數，表示輸入光場的相位函數，其中i表示虛部，表示輸入光場的波數，λ1N為光波波長，ω1N表示輸入光場的角頻率，表示輸入光場的初始相位，t表示光場傳播時間；所述輸出多路光場的每一路光場的表達式如公式(2)所示其中，N為正整數，表示輸出光場的端口數，F2N(x,y)表示輸出光場的空間位置函數，表示輸出光場函數，|A2N(z)|表示輸出光場的幅度函數，表示輸出光場的相位函數，其中i表示虛部，表示輸出光場的波數，λ2N為光波波長，ω2N表示輸出光場的角頻率，表示輸出光場的初始相位，t表示光場傳播時間。3.根據權利要求2所述的模式和空間光交換的方法，其特征在于，當傳遞函數僅實現模式交換；傳遞函數僅實現空間交換；當傳遞函數同時實現模式和空間交換。4.根據權利要求1至3中任一所述的模式和空間光交換的方法，其特征在于，所述輸入多路光場經過空間光交換之后，再分別經過波前矯正的傳遞函數的變換操作對偏轉進行矯正，使輸出多路光場與原來輸入多路光場傳播方向平行；輸出多路光場和輸入多路光場保持平行能夠實現該模式和空間光交換方法具有可級聯性，即平行輸出的多路光場能夠繼續作為下一級模式和空間光交換的輸入多路光場。5.根據權利要求4所述的模式和空間光交換的方法，其特征在于，所述波前矯正的傳遞函數為：對偏轉進行矯正，使輸出多路光場的表達式如公式(3)所示其中，F3N(x,y)表示經過波前矯正之后輸出光場的空間位置函數。6.根據權利要求1或2或3所述模式和空間光交換的方法，其特征...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王健，劉俊，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42