一种轨道角动量模式群的模式选择性调控方法及装置

1.本发明涉及一种轨道角动量模式群的模式选择性调控方法及装置，属于光学领域。


背景技术：

2.近年来，随着固定和移动通信的高速发展，数据容量需求与日俱增，相对滞后的通信及互联带宽已成为大数据和云时代的主要瓶颈。因此，迫切需要一种能够同时提升数据容量密度和频谱利用率的技术。在这一背景下，基于轨道角动量(oam)高维特性的模分复用高容量相干光通信技术逐步发展起来，有望成为继频分复用后下一个推动通信及互联带宽跨越式增长的技术。目前，在oam复用传输层面已取得多项突破性进展，然而，面向oam自由度的信息处理层面的研究还处于起步阶段，主要集中于线性光学和非线性光学的光场调控研究。线性调控是指通过某种系统或装置对光场在某一(或某些)自由度下实施特定传输变换，例如，王健等人在2012年《nature photonics》第138期发表的《terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing》文章中采用线性空间光调制技术实现了信道转换、数据交换等信息处理功能；非线性调控是指电磁场间通过相互作用交互相干信息并在某些自由度下实现特定传输变换，例如，朱智涵等人在2016年《optica》第3卷第2期发表的《reversible orbital angular momentum photon-phonon conversion》文章中提出了可逆oam光-声非线性转换机制，并实现了相干声子oam存储。目前无论是线性调控还是非线性调控方案只能对oam模式群进行同步调控，无法对oam模式群中的任意模式进行选择性调控，极大限制了信息交互算法的完备性，严重制约了oam复用信息处理技术的发展。因此，实现oam模式群任意模式选择性调控，是oam复用技术中亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
4.鉴于此，本发明提供了一种轨道角动量模式群的模式选择性调控方法及装置，以至少解决现有技术中无法针对oam模分复用进行模式选择性调控的问题。
5.根据本发明的一个发明，提供了一种轨道角动量模式群的模式选择性调控方法，所述选择性调控方法包括：令泵浦光束和种子光束分别从非线性介质两侧输入，以使所述泵浦光束和所述种子光束在所述非线性介质中发生受激布里渊放大(sba)相互作用，以将所述泵浦光束和/或种子光束携带的调控信息写入到所述非线性介质的声子场中；确定oam模式群光束中的至少一个待调控oam模式光束；针对所述至少一个待调控oam模式光束中的每一个，通过如下过程完成对该待调控oam模式光束的选择性调控：对所述oam模式群光束
进行第一模式变换，以使该待调控oam模式光束的模式转换为高斯型模式，作为待调控高斯型模式光束，将第一模式变换后的oam模式群光束作为探测模式群光束在所述泵浦光束同侧、沿着与所述种子光束逆向方向入射到所述非线性介质中，令所述待调控高斯型模式光束与所述非线性介质中携带调控信息的声子场发生布里渊声参量放大(bapa)相互作用，以获得经由所述声子场调控后的高斯型模式光束，对所述调控后的高斯型模式光束与所述探测模式群光束中其他的oam模式光束进行合束，对合束后的光束进行第二模式变换，以使所述调控后的高斯型模式光束的模式转换为原oam模式。
6.进一步地，所述oam模式群光束中的至少一个待调控oam模式光束为所述oam模式群光束中的任意一个或多个oam模式光束。
7.进一步地，所述待调控oam模式光束为：所述oam模式群光束中未存储数据的oam模式光束。
8.进一步地，所述待调控oam模式光束为：所述oam模式群光束中被判定为存储有错误数据的oam模式光束。
9.进一步地，所述待调控oam模式光束为：根据接收到的调控请求消息确定出的对应oam模式光束。
10.进一步地，在所述对该待调控oam模式光束的选择性调控的步骤中，通过所述bapa相互作用获得的所述调控后的高斯型模式光束从所述非线性介质的一侧、以和所述泵浦光束传播方向相反的方向输出，而所述探测模式群光束中其他的oam模式光束从所述非线性介质的另一侧输出。
11.进一步地，所述调控包括以下中的一个或多个：信息存储；信道转换；数据分发；数据交换；以及数据修复。
12.进一步地，所述泵浦光或种子光加载有待存储数据，所述待存储数据作为调控信息被写入至所述非线性介质的声子场中，以通过所述待调控高斯型模式光束与携带调控信息的声子场发生bapa相互作用而被存储至所述调控后的高斯型模式光束中。
13.进一步地，所述非线性介质为固体介质、透明液体或气体介质。
14.进一步地，所述泵浦光束相对于所述种子光束倾斜入射到所述非线性介质的角度在10mrad～100mrad范围内。
15.进一步地，所述探测模式群光束落后所述泵浦光束进入非线性介质的延迟时间为1ns～20ns范围内。
16.进一步地，该方法用于对光纤中传输的光束进行处理。
17.进一步地，该方法用于对集成芯片硅波导中传输的光束进行处理。
18.根据本发明的另一方面，还提供了一种轨道角动量模式群的模式选择性调控装置，所述装置包括第一偏振分光单元、第二偏振分光单元、非线性介质单元、第一相位单元、第一反射单元、第二反射单元、合束单元和第二相位单元；泵浦光束经第一偏振分光单元透射后从非线性介质单元一侧入射，种子光束经第二偏振分光单元非线性介质单元另一侧入射，使所述泵浦光束和所述种子光束在所述非线性介质单元中发生sba相互作用，以将所述泵浦光束和/或种子光束携带的调控信息写入到所述非线性介质单元的声子场中；其中，所述泵浦光束与所述种子光束之间存在夹角和频率差，所述频率差为所述非线性介质单元的布里渊频移；由拓扑荷为的n个oam模式光束叠加组成的oam模式群光束，经
加载拓扑荷为螺旋相位的第一相位单元解复用后，转换为拓扑荷为0的高斯光束和拓扑荷为的n-1个oam模式光束，以作为探测模式群光束，其中，所述高斯光束作为待调控高斯型模式光束；所述探测模式群光束经第一反射单元反射后在所述泵浦光束同侧、沿着与所述种子光束逆向方向入射到所述非线性介质单元中，使得所述待调控高斯型模式光束与所述非线性介质单元中携带调控信息的声子场发生bapa相互作用，获得经由所述声子场调控后的高斯型模式光束，所述调控后的高斯型模式光束沿着逆向泵浦光方向传播，经第一偏振分光单元和第二反射单元反射至合束单元；所述探测模式群光束中其他的oam模式光束沿着逆向种子光方向传播，经第二偏振分光单元反射后在所述合束单元与所述调控后的高斯型模式光束合束，合束后的光束经过拓扑荷为螺旋相位的第二相位单元调制后得到选择性调控后模式群，该选择性调控后模式群中n个光束的拓扑荷为
19.本发明的轨道角动量模式群的模式选择性调控方法及装置，通过泵浦光或种子光加载数据，将该数据通过泵浦光和种子光之间的sba作用而写入声子场，再通过模式群任意模式(即要调控的模式可以是oam模式群光束中的任意模式的光束)与声子场的bapa作用读出数据(即，将声子场的数据写入待调控高斯型模式光束中)，再和模式群其他模式复用(即，调控后的高斯型模式光束和其他光束合束)，完成选择性调控。
20.在现有的oam复用光通信技术中，其调控方法无论是线性调控还是非线性调控，都只能对oam模式群进行同步调控(也即，要调控的话，oam模式群中的所有模式光束都会被调控)，而无法对oam模式群中的任意模式进行选择性调控；而利用本发明的上述技术，则能够实现在oam复用光通信技术中按需调控oam模式群中的任意模式，也即，当复用的多个oam模式中只有一个模式或部分模式需要调控(如只需要向其中一个或部分模式光束中存储数据；或其中某一个模式光束中加载的数据有误或需要更新；等等)、而非全部都需要调控时，通过本发明的上述技术，能够只对该模式或该部分模式的光束进行调控。
21.此外，在本发明的一些实施例中，能够适用于集成电路芯片技术中，该方案易于集成，通过硅波导作为传输介质和非线性介质实现全光处理，利用硅波导中的oam复用技术完成对oam模式群中的任意模式的选择性调控，能够克服集成电路芯片采用传统oam复用技术进行处理时，当复用的多个模式出现部分需要调控的情况时无法选择性地调控的问题。
22.因此，本发明的上述技术为oam复用链路提供了一种实用性较强的oam模式群选择性调控技术，本发明利用布里渊光-声耦合机制可实现全光oam模式群任意模式选择性调控，且和集成光学芯片技术兼容，能够克服现有光通信技术信息容量受限、集成度不好以及oam模分复用无法选择性调控等问题。
附图说明
23.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
24.图1是示出本发明的一种轨道角动量模式群的模式选择性调控方法的一个示例性
处理的流程图；
25.图2是示出光束截面在第一模式变换前后以及第二模式变换前后的示例的示意图；
26.图3是示出本发明的轨道角动量模式群的模式选择性调控装置的一个示例的结构示意图。
27.在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
28.下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
29.在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
30.下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
31.本发明的实施例提供了一种本发明提供了一种轨道角动量模式群的模式选择性调控方法，所述选择性调控方法包括：令泵浦光束和种子光束分别从非线性介质两侧输入，以使所述泵浦光束和所述种子光束在所述非线性介质中发生sba相互作用，以将所述泵浦光束和/或种子光束携带的调控信息写入到所述非线性介质的声子场中；确定oam模式群光束中的至少一个待调控oam模式光束；针对所述至少一个待调控oam模式光束中的每一个，通过如下过程完成对该待调控oam模式光束的选择性调控：对所述oam模式群光束进行第一模式变换，以使该待调控oam模式光束的模式转换为高斯型模式，作为待调控高斯型模式光束，将第一模式变换后的oam模式群光束作为探测模式群光束在所述泵浦光束同侧、沿着与所述种子光束逆向方向入射到所述非线性介质中，令所述待调控高斯型模式光束与所述非线性介质中携带调控信息的声子场发生bapa相互作用，以获得经由所述声子场调控后的高斯型模式光束，对所述调控后的高斯型模式光束与所述探测模式群光束中其他的oam模式光束进行合束，对合束后的光束进行第二模式变换，以使所述调控后的高斯型模式光束的模式转换为原oam模式。
32.下面结合图1来描述本发明的一种轨道角动量模式群的模式选择性调控方法的一个示例的处理流程100。
33.根据本发明的实施例，模式选择性调控方法中所说的调控是指，例如光信息处理技术中的信息存储、信道转换、数据分发、数据交换以及数据修复中的任一种调控处理，或者，也可以是上述任几种组合的调控处理。
34.如图1所示，处理流程100开始之后，执行步骤s110。然后执行步骤s120。
35.在步骤s110中，令泵浦光束和种子光束分别从非线性介质两侧输入，使泵浦光束和种子光束在非线性介质中发生sba相互作用，以将泵浦光束和/或种子光束携带的调控信息写入到非线性介质的声子场中。
36.其中，泵浦光束与种子光束之间存在夹角。泵浦光束与种子光束之间的夹角是指泵浦光束相对于种子光束倾斜入射到非线性介质的角度，该角度例如在10mrad～100mrad
范围内，如可选取50mrad。例如下文中将要描述的图3所示，种子光束沿水平方向(光轴方向)入射，而泵浦光束沿与水平方向呈一定夹角的方向入射。
37.此外，泵浦光束与种子光束之间具有频率差，该频率差为非线性介质的布里渊频移。泵浦光束例如为1550nm，或者其他波长；种子光束波长选取和泵浦光相差一个介质布里渊频移(一般1-10ghz)的波长。
38.其中，非线性介质可以为固体介质、透明液体介质或气体介质。固体介质例如可以选取石英光纤、硅波导或金刚石等；透明液体介质例如可以选取二硫化碳、重氟碳或水等；气体介质例如可以选取ar气体、xe气体、ch4气体、n2气体或sf6气体等。在本发明的实施例中，例如可以选择能够使得泵浦光束和种子光束发生sba相互作用的上述任一种非线性介质。
39.例如，在本发明的轨道角动量模式群的模式选择性调控方法中，涉及的泵浦光束、种子光束以及下文提到的oam模式群光束(及其各种变换、调控后的光束等)，例如是在光纤中传输的，即该方法实施所依赖的装置的全光路例如是光纤光路；也就是说，光传输介质为光纤，其中的各元器件采用光纤器件，非线性介质选取光纤。
40.或者，上述泵浦光束、种子光束以及下文提到的oam模式群光束(及其各种变换、调控后的光束等)也可以是在集成芯片硅波导中传输的，即该方法实施所依赖的装置的全光路例如是通过现有刻蚀工艺刻蚀而成的硅波导光路；也就是说，光传输介质为硅波导，其中的各元器件采用硅波导器件，非线性介质选取硅波导。
41.又或者，上述泵浦光束、种子光束以及下文提到的oam模式群光束(及其各种变换、调控后的光束等)也可以是在空中传输的，也就是说，光传输介质为空气，其中的各元器件可以采用固体器件或液体、气体器件等，非线性介质可以选取固体介质、透明液体介质或气体介质。
42.根据本发明的实施例，调控信息可以是泵浦光束上携带的，也可以是种子光束上携带的，或者泵浦光束和种子光束二者上携带的。调控信息例如是加载到泵浦光束和/或种子光束上的数据，该数据可以是用于传输的如图像数据、视频数据、文本数据、声音数据等中的一种或多种多媒体数据，也可以是需要存储的待存储数据，或者可以是用于修正错误的修订数据；该数据可以是明文数据(即非加密数据)或密文数据(即加密数据)，也可以是明文数据与密文数据的混合数据；此外，该数据可以通过现有编码方式进行编码以加载至上述泵浦光束和/或种子光束中。其中，将数据加载至泵浦光束和/或种子光束的过程例如可以通过现有任一种数据写入光束技术来实现，这里不再详述。
43.在步骤s120中，确定oam模式群光束中的至少一个待调控oam模式光束。
44.在本发明的实施例中，oam模式群光束包括多个不同拓扑荷的oam模式光束。例如，oam模式群光束可以由两个或更多个不同拓扑荷的oam模式光束叠加而成。
45.举例来说，上述oam模式群光束可以是由拓扑荷为的n个oam模式光束叠加组成的oam模式群光束，其中，各不相同，为整数，且中的任一个可为正整数、负整数或0。
46.在一个例子中，中可包含有0，也就是说，oam模式群光束中可以包含拓扑荷为0的高斯型光束和其他拓扑荷不为0的光束。
47.在另一个例子中，均不为0，也就是说，oam模式群光束中不包含拓扑荷为0的高斯型光束。
48.应当理解的是，的顺序可以是从小到大排列的，也可以是从大到小排列的，或者，的顺序也可以是随机任意排列的。
49.根据本发明的实施例，上述oam模式群光束中各光束波长与泵浦光束波长一致，例如为1550nm，或者其他波长。
50.在一种实现方式中，在步骤s120中确定的所述至少一个待调控oam模式光束可以是上述oam模式群光束中的任意一个或任意多个oam模式光束。
51.在另一种实现方式中，oam模式群光束中的各光束之中，可能有的已存有数据，而其他一些尚未存储数据，这样，也可以将上述oam模式群光束中那些未存储数据的oam模式光束中的一个或多个确定为待调控oam模式光束。
52.此外，在又一种实现方式中，oam模式群光束中可能存在一个或多个光束，虽然已存有数据，但数据可能存在错误，或者需要修复等，这样，可以将上述oam模式群光束中被判定为存储有错误数据的oam模式光束中的一个或多个确定为待调控oam模式光束。其中，被判定为存储有错误数据的oam模式光束，例如可以是在实际应用中由用户发现的，或者根据后续设备或流程反馈的结果获知的。
53.在其他一种实现方式中，也可以从外部获取或接收一个调控请求消息，例如是用户输入的消息，用于指示要调控的oam模式等，这样，根据该调控请求消息对应要调控的oam模式，可以在oam模式群光束中确定对应的oam模式光束，来作为待调控oam模式光束。
54.如图1所示，在执行完步骤s120之后，确定了至少一个待调控oam模式光束，也就是说，确定的待调控oam模式光束(即在oam模式群光束中需要被调控的光束)可能仅有一个，也可能有多个。
55.当步骤s120所确定的待调控oam模式光束只有一个时，对该待调控oam模式光束执行如图1所示的步骤s131～s133，即可实现对该光束的调控，也即实现了对该光束的选择性调控。选择性调控是指，能够在oam模式群光束的多个oam模式中选择一个模式来进行调控，也即oam模式实现了选择性调控。
56.而当步骤s120所确定的待调控oam模式光束是多个时，可以对其中每个待调控oam模式光束分别执行步骤s131～s133，来实现对每个待调控oam模式光束的调控。换句话说，每一次调控，只能选择一个模式来进行，而通过多次执行步骤s131～s133，则能够实现对多个模式的调控。当然，也可以根据实际需要对同一个模式执行多次步骤s131～s133，例如，可能一次调控后发现仍需要修正等情况。
57.接着，通过步骤s130令每个待调控oam模式光束分别执行步骤s131～s133，下面将针对任一个待调控oam模式光束来描述对该光束如何执行步骤s131～s133的选择性调控，例如，以作为中的任意一个，对应的待调控oam模式光束记作“模式光束”。
58.在步骤s131中，对整个oam模式群光束同时进行第一模式变换，第一模式变换的目的是使得模式光束(作为任一个待调控oam模式光束的示例)的模式从当前oam模式(即拓
扑荷为)转换为高斯型模式(即拓扑荷为0)。
59.例如，可以通过令整个oam模式群光束经过加载有螺旋相位的相位元件(如可以为螺旋相位板、空间光调制器或q波片等)的方式，来对整个oam模式群光束进行第一模式变换。比如，要调控的待调控oam模式光束为上述“模式光束”，则可以令整个oam模式群光束经过一个加载拓扑荷为螺旋相位的相位元件，使得拓扑荷为的n个oam模式光束分别变为拓扑荷为0的高斯光束以及拓扑荷为的n-1个oam模式光束。
60.应当理解的是，若要调控的待调控oam模式光束为拓扑荷为的oam模式光束，其中是中任一个，即i＝1，2，...，n，则对应第一模式变换的目标是将拓扑荷为的oam模式光束转换为拓扑荷为0的高斯光束在这种情况下，对应地可以令整个oam模式群光束经过一个加载拓扑荷为螺旋相位的相位元件来完成上述第一模式变换，以此类推，这里不再赘述。
61.这样，如图1所示，对“模式光束”完成了步骤s131后，得到了第一模式变换后的oam模式群光束，将上述第一模式变换后的oam模式群光束作为探测模式群光束，其中，将模式光束经第一模式变换后的光束作为待调控高斯型模式光束。
62.由此可知，在步骤s131中，通过对整个oam模式群光束进行一个模式变换(即第一模式变换)，将其中每个光束的拓扑荷都减去一个值(该值等于要调控的那个待调控oam模式光束的拓扑荷的值)，这样要调控的待调控oam模式光束的拓扑荷就变为0，其他的光束的拓扑荷变为原来的值减去这个“要调控的那个待调控oam模式光束的拓扑荷的值”所得的差，在空间上实现了对“要调控的待调控oam模式光束”和其余光束的分离。
63.图2示出了光束截面在第一模式变换前后以及第二模式变换前后的示例。在图2所示例子中，第一模式变换前的oam模式群光束如图2中201所示，而第一模式变换后的oam模式群光束(即探测模式群光束)如图2中202所示。
64.如图2所示，oam模式群光束在进行步骤s131之前如图2中的201所示，光束截面为圆环状光斑；在对oam模式群光束进行了步骤s131之后，oam模式群光束中“要调控的待调控oam模式光束”和其余光束分离开，如图2中的202所示，“要调控的待调控oam模式光束”在第一模式变换后转变为拓扑荷为0的高斯光束(即待调控高斯型模式光束)，该“拓扑荷为0的高斯光束”的截面例如光束202截面中的实心光斑，而其余光束在第一模式变换后例如光束202截面中的圆环部分，空间上实现了分离。
65.接着，在步骤s132中，将探测模式群光束在非线性介质的一侧(泵浦光束同侧)入射至非线性介质中，并且探测模式群光束的入射方向是沿着与所述种子光束逆向的方向。
66.例如，泵浦光束与种子光束均可以为脉冲光，如上文所述，二者从非线性介质两侧入射并在该非线性介质中相遇而发生sba相互作用，在本发明的实施例中，探测模式群光束可以与泵浦光束同时入射至上述非线性介质，或者，探测模式群光束也可以落后于泵浦光束进入非线性介质。
67.其中，探测模式群光束落后泵浦光束进入非线性介质的延迟时间例如可以为预设
延迟时间，该预设延迟时间小于该非线性介质的声子场的寿命(例如声子在非线性介质中的半衰期)。优选地，上述预设延迟时间例如为1ns～20ns范围内，其中更为优选地，可以为1～5ns。
68.这样，待调控高斯型模式光束与非线性介质中携带调控信息的声子场之间发生bapa相互作用，通过该作用完成了对上述“待调控高斯型模式光束”的调控，调控信息被写入到上述“待调控高斯型模式光束”中，进而得到了被上述声子场调控后的高斯型模式光束(以下简称为“调控后的高斯型模式光束”)。换句话说，经过上述携带调控信息的声子场调控后，得到的调控后的高斯型模式光束携带有该调控信息。
69.根据本发明的实施例，在对待调控oam模式光束的选择性调控的步骤中，通过bapa相互作用获得的调控后的高斯型模式光束从非线性介质的一侧、以和泵浦光束传播方向相反的方向输出，而探测模式群光束中其他的oam模式光束从非线性介质的另一侧输出。其中，“探测模式群光束中其他的oam模式光束”是指探测模式群光束中除去上述调控后的高斯型模式光束以外的其他光束。
70.接着，如图1所示，在步骤s133中，对上述调控后的高斯型模式光束与所述探测模式群光束中其他的oam模式光束进行合束，对合束后的光束进行第二模式变换，以使所述调控后的高斯型模式光束的模式从当前的高斯型模式转换为原oam模式(即将该光束的拓扑荷变为在进行第一模式变换前的拓扑荷值)。
71.例如，可以通过令上述合束后的光束经过另一个加载有螺旋相位的相位元件(如可以为螺旋相位板、空间光调制器或q波片等)的方式，来对该合束后的光束进行第二模式变换。比如，上述调控后的高斯型模式光束的拓扑荷为0(其在进行步骤s131前对应的拓扑荷假设为)，则可以使该合束后的光束经过一个加载拓扑荷为螺旋相位的相位元件，使得上述合束后的光束再各自恢复为各自原来对应的拓扑荷值，也即，拓扑荷为0的调控后的高斯型模式光束通过第二模式变换，拓扑荷恢复为原来的而拓扑荷分别为的其余n-1个光束经第二模式变换，分别恢复为
72.换句话说，根据要调控的待调控oam模式光束的拓扑荷值la来确定进行第一模式变换的相位元件lb和进行第二模式变换的相位元件各自所要加载的拓扑荷的值lc，比如，la为上文所述的则
73.在图2所示例子中，探测模式群光束202在通过非线性介质时，由于探测模式群光束202中的待调控高斯型模式光束(该光束截面对应202中心的实心圆点光斑)处于非线性介质的布里渊光-声耦合区域(即泵浦光束和种子光束在非线性介质中的非线性作用区域)，因此上述待调控高斯型模式光束能够与非线性介质的声子场ρ发生bapa相互作用，从而完成对待调控高斯型模式光束的调控，将调控信息写入到待调控高斯型模式光束中；而探测模式群光束202中的其他oam模式光束(除待调控高斯型模式光束以外的光束)截面呈圆环形，这样便处于布里渊光-声耦合区域之外，而不会与声子场ρ发生bapa相互作用。参考下文中描述的图3，探测模式群光束202中的其他oam模式光束(不与声子场ρ发生bapa相互作用)沿逆向种子光方向传输(即，从非线性介质3的右侧输出)，而探测模式群光束202中的
待调控高斯型模式光束会与声子场ρ发生bapa相互作用，由此使得经声子场调控后的高斯型模式光束沿逆向泵浦光方向传输(即，从非线性介质3的左侧斜向下方向输出)。
74.简而言之，图2所示的oam模式群光束201经第一模式变换后，成为探测模式群光束202，探测模式群光束202中的“待调控高斯型模式光束”与其余光束在空间上分离，但传播方向相同(即，中心处和圆环处同向传输)；经非线性介质后，得到的“调控后的高斯型模式光束”与其余光束不仅在空间上分离，且传播方向亦不同(即，中心处和圆环处非同向传输)；经步骤s133的合束，“调控后的高斯型模式光束”与其余光束合为一束(即，又变为中心处和圆环处同向传输)，合束后如光束203所示；合束光束203经第二模式变换，得到光束204，光束204中各光束的拓扑荷恢复成如光束201一样。
75.此外，作为示例，泵浦光束及种子光束的偏振态例如均是水平(h)偏振态，而oam模式群光束的偏振态例如是垂直(v)偏振，即其中的所述n个oam模式光束均为v偏振。这样，oam模式群光束在与声子场发生bapa作用的同时，由于其偏振态是v偏振，故不会与h偏振的种子光之间发生sba作用；同时，由于v偏振的oam模式群光束与h偏振的泵浦光的偏振正交，oam模式群光束和声子场作用后沿泵浦光反方向传输，能够通过偏振分束器(如偏振分光棱镜pbs)反射输出，从而便于提取信号。
76.在本发明的实施例中，若待调控的oam模式拓扑荷那么此时相当于一个特例，即待调控的oam模式为高斯型模式，在这种情况下，用于进行第一、第二模式变换的步骤可以省略；或者，用于进行第一、第二模式变换的器件(如相位元件)加载拓扑荷为0的螺旋相位，或者可以在对应实施的装置中省去对应器件(如下文中结合图3所描述的第一相位单元4和第二相位单元8)。
77.根据以上描述可知，本发明的上述模式选择性调控方法，其通过泵浦光或种子光加载数据，将该数据通过泵浦光和种子光之间的sba作用而写入声子场，再通过模式群任意模式(即要调控的模式可以是oam模式群光束中的任意模式的光束)与声子场的bapa作用读出数据(即，将声子场的数据写入待调控高斯型模式光束中)，再和模式群其他模式复用(即，调控后的高斯型模式光束和其他光束合束)，完成选择性调控，由此能够适用于oam复用光通信技术中按需调控oam模式群中的任意模式，克服了现有技术的不足。
78.本发明的实施例还提供了一种轨道角动量模式群的模式选择性调控装置，所述装置包括第一偏振分光单元、第二偏振分光单元、非线性介质单元、第一相位单元、第一反射单元、第二反射单元、合束单元和第二相位单元；泵浦光束经第一偏振分光单元透射后从非线性介质单元一侧入射，种子光束经第二偏振分光单元非线性介质单元另一侧入射，使所述泵浦光束和所述种子光束在所述非线性介质单元中发生sba相互作用，以将所述泵浦光束和/或种子光束携带的调控信息写入到所述非线性介质单元的声子场中；其中，所述泵浦光束与所述种子光束之间存在夹角和频率差，所述频率差为所述非线性介质单元的布里渊频移；由拓扑荷为的n个oam模式光束叠加组成的oam模式群光束，经加载拓扑荷为螺旋相位的第一相位单元解复用后，转换为拓扑荷为0的高斯光束和拓扑荷为的n-1个oam模式光束，以作为探测模式群光束，其中，所述高斯光束作为待调控高斯型模式光束；所述探测模式群光束经第一反射单元反射后
在所述泵浦光束同侧、沿着与所述种子光束逆向方向入射到所述非线性介质单元中，使得所述待调控高斯型模式光束与所述非线性介质单元中携带调控信息的声子场发生bapa相互作用，获得经由所述声子场调控后的高斯型模式光束，所述调控后的高斯型模式光束沿着逆向泵浦光方向传播，经第一偏振分光单元和第二反射单元反射至合束单元；所述探测模式群光束中其他的oam模式光束沿着逆向种子光方向传播，经第二偏振分光单元反射后在所述合束单元与所述调控后的高斯型模式光束合束，合束后的光束经过拓扑荷为螺旋相位的第二相位单元调制后得到选择性调控后模式群，该选择性调控后模式群中n个光束的拓扑荷为应当理解的是，上述装置可以用于实施上文中的选择性调控方法，这里不再赘述。
79.图3示出了本发明的轨道角动量模式群的模式选择性调控装置的一种示例性结构的示意图。如图3所示，该装置包括第一偏振分光单元1、第二偏振分光单元2、非线性介质单元3、第一相位单元4、第一反射单元5、第二反射单元6、合束单元7和第二相位单元8。
80.根据一种实现方式，该装置中的光束例如是在光纤中传输的，即该装置的全光路例如是光纤光路；也就是说，光传输介质为光纤，其中的各元器件(如图3所示的单元1～8)采用光纤器件，非线性介质选取光纤。在这种情况下，第一反射单元5和第二反射单元6实际通过光纤自身实现，也即，第一反射单元5和第二反射单元6为光路中传输光束的光纤的一部分。
81.根据另一种实现方式，该装置中的光束例如是在集成芯片硅波导中传输的，即该装置的全光路例如是通过现有刻蚀工艺刻蚀而成的硅波导光路；也就是说，光传输介质为硅波导，其中的各元器件采用硅波导器件，非线性介质选取硅波导。类似地，在这种情况下，第一反射单元5和第二反射单元6实际通过硅波导自身实现，也即，第一反射单元5和第二反射单元6为光路中传输光束的硅波导的一部分。
82.根据又一种实现方式，上述泵浦光束、种子光束以及oam模式群光束(及其各种变换、调控后的光束等)也可以是在空中传输的，也就是说，光传输介质为空气，其中的各元器件可以采用固体器件或液体、气体器件等。下面参考图3来描述该种实现方式的一个优选示例。
83.如图3所示，第一偏振分光单元1采用第一偏振分光棱镜，第二偏振分光单元2采用第二偏振分光棱镜，非线性介质单元3采用固体介质、透明液体介质或气体介质中的任意一种非线性介质，第一相位单元4采用第一相位元件，第一反射单元5采用第一反射镜，第二反射单元6采用第二反射镜，合束单元7采用合束器，而第二相位单元8采用第二相位元件。
84.泵浦光束经第一偏振分光棱镜1透射后从非线性介质3一侧入射，泵浦光束的偏振态例如是h偏振态；种子光束经第二偏振分光棱镜2透射至非线性介质3另一侧入射，种子光束的偏振态例如是h偏振态，且种子光束与泵浦光束之间具有布里渊stokes频移。
85.使泵浦光束和种子光束在非线性介质3中发生sba相互作用，以将泵浦光束和/或种子光束携带的调控信息写入到非线性介质3的声子场中。例如，泵浦光束和种子光束在非线性介质3中发生小角度(如10mrad～100mrad)非共线sba作用。此外，可按需调控泵浦光和种子光，激发出所需相干声子场ρ。
86.非线性介质3的长度例如为10cm～60cm，例如，可以优选20～30cm。
87.拓扑荷为的n个oam模式光束叠加组成的oam模式群光束，其空间分布例如图2中201所示的圆环光斑形貌，该oam模式群光束的偏振态例如是v偏振，即其中的所述n个oam模式光束均为v偏振。这样，oam模式群光束的偏振态是v偏振，能够在与声子场发生bapa作用的同时，又不会与h偏振的种子光之间发生sba作用；同时，由于v偏振的oam模式群光束与h偏振的泵浦光的偏振正交，oam模式群光束和声子场作用后沿泵浦光反方向传输，能够通过偏振分束器反射输出，从而便于提取信号。
88.在模式群中任意选择一个待调控模式，例如，拓扑荷为oam模式。上述oam模式群光束经加载拓扑荷为螺旋相位的第一相位元件4(可以为螺旋相位板、空间光调制器或q波片等)解复用后，转换为拓扑荷为0的高斯光束和拓扑荷为的n-1个oam模式光束，这样，待调控高斯型模式和其他转换后oam模式组成“空分复用”的探测模式群光束，其中，高斯光束作为待调控高斯型模式光束。
89.探测模式群光束经第一反射镜5反射后在泵浦光束同侧、沿着与种子光束逆向方向入射到非线性介质3中，使得待调控高斯型模式光束与非线性介质3中携带调控信息的声子场发生bapa相互作用，获得经由声子场调控后的高斯型模式光束。
90.调控后的高斯型模式光束沿着逆向泵浦光方向传播，经第一偏振分光棱镜1和第二反射镜6反射至合束器7。
91.探测模式群光束中其他的oam模式光束沿着逆向种子光方向传播，经第二偏振分光棱镜2反射后在合束器7与调控后的高斯型模式光束合束，合束后的光束经过拓扑荷为螺旋相位的第二相位元件8调制后得到选择性调控后模式群，该选择性调控后模式群中n个光束的拓扑荷为
92.根据本发明实施例，结合线性变换与布里渊光-声耦合的空域特性，首先对拓扑荷为的oam复用叠加形成的模式群中的任一模式，如模式，进行选择性解复用，形成去oam模式即解复用为拓扑荷为0的高斯模式，该模式与模式群中的其他模式，即形成“空分复用”状态，即模式和光场或声场相互作用形成有效光-声耦合区域，和其他模式光场空间分离，其他模式光场不参与光-声耦合作用，与声场ρ耦合后再通过选择性复用编入模式群，进而完成对模式的选择性光-声调控，依此类推可以完成对模式群中其余模式的选择性调控。
93.换句话说，由于其他转换后oam模式不在布里渊光-声相互作用区域，不和声子场发生bapa相互作用，将透过非线性介质，继续沿着逆向种子光束传播，所述其他转换后oam模式和所述调控后的高斯模式合束后，经模式变换，转换为选择性调控后模式群输出。
94.下面描述本发明实施例的上述选择性调控方法及装置的一个优选实施例。在该优选实施例中，经第一偏振分光棱镜1透射的水平(h)偏振态泵浦光和经第二偏振分光棱镜2透射具有布里渊stokes频移的h偏振态种子光在非线性介质3中发生小角度非共线sba作
用，可按需调控泵浦光和种子光，激发出所需相干声子场ρ。由拓扑荷为的oam模式叠加组成垂直(v)偏振oam模式群，其空间分布为图2中所示的圆环光斑形貌，在模式群中任意选择一个待调控模式，例如，拓扑荷为oam模式，经加载拓扑荷为螺旋相位的第一相位元件4(可以为螺旋相位板、空间光调制器、q波片等)解复用后，该模式转换为拓扑荷为0的高斯光束如图2中所示的圆环光斑中心的实心光斑，其他剩余模式群转换为拓扑荷为组成的新的oam模式群，其空间形貌仍然为空心圆环，从而实现了待调控模式与其他模式群的空间区域分离，即“空分复用”状态(由此完成上文所述的第一模式变换)，该光场可作为探测光经第一反射镜5反射，沿着逆向种子光方向传播，进入非线性介质3，其中高斯光束处于布里渊光-声耦合区域，可与相干声场ρ发生相互作用，进行信息处理等调控，与声场ρ耦合后，沿着逆向泵浦光方向传播，经第一偏振分光棱镜1和第二反射镜6反射；其他模式群在光-声耦合区域以外，不发生非线性调控作用，沿着逆向种子光方向传播，经第二偏振分光棱镜2反射，其他模式群光束和调控后光束在合束器7合束，再经过拓扑荷为螺旋相位的第二相位元件8(可以为螺旋相位板、空间光调制器、q波片等)调制后，形成选择性调控后模式群，依此类推可以完成对模式群中其余模式的选择性调控。该方案在实施过程中，要求泵浦光、种子光和解复用后的高斯光束光斑尺寸相同，而其他模式群形成的圆环光斑内径应大于高斯光束光斑尺寸，满足这一条件，才能有效实现“空分复用”，以及选择性调控。
95.本发明的轨道角动量模式群的模式选择性调控方法及装置，为oam复用链路提供一种实用性较强的oam模式群选择性调控技术。利用布里渊光-声耦合机制可实现全光oam模式群任意模式选择性调控，且和集成光学芯片技术兼容，能够解决现有光通信技术信息容量受限、集成度不好，以及oam模分复用无法选择性调控等问题。
96.应当注意，尽管在上文详细描述中提及了多媒体对象查看装置的若干单元或组成部分，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元或组成部分的特征和功能可以在一个模块中具体化。反之，上文描述的一个单元或组成部分的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。
97.此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
98.虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。