光电工程  2019, Vol. 46 Issue (6): 180386      DOI: 10.12086/oee.2019.180386     
OAM光束短距离自由空间传输特性的实验研究
席瑞1,2 , 朱冰1,2     
1. 中国科学技术大学电子工程与信息科学系,安徽 合肥 230027;
2. 中国科学院电磁空间信息重点实验室,安徽 合肥 230027
摘要:实验研究了光轨道角动量(OAM)光束的短距离自由空间传输特性。在实验装置中使用数字微镜器件(DMD)产生OAM光束,传输距离为室内0~50 m。在接收端使用空间光束模场分析仪测量传输后的OAM光束光强分布,实验研究了不同传输距离下OAM光束的模场展宽效应,并通过干涉法研究了传输对OAM光束相位分布特性的影响。在接收端使用一个单路Sagnac干涉仪对传输后OAM光束的各阶模式进行分离检测,实验研究了不同距离下传输导致的OAM光束能量从产生的模式向临近各阶模式的迁移再分配。使用局部加热的方法模拟较强的大气湍流扰动,实验研究了较强湍流对OAM光束模式特性的影响。实验结果表明,在湍流扰动下,OAM光束的拓扑荷值越大传输后模式纯度的劣化越严重。
关键词光轨道角动量    自由空间传输    数字微镜器件    Sagnac干涉仪    
Experimental study on short-distance free-space transmission characteristics of OAM beam
Xi Rui1,2, Zhu Bing1,2     
1. Department of Electronic Engineering and Information Science, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230027, China;
2. Key Laboratory of Electromagnetic Space Information, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230027, China
Abstract: The short-distance free-space transmission characteristics of the optical orbital angular momentum (OAM) beam were experimentally studied. The transmission distance is 0~50 m indoors. A digital micromirror device (DMD) was used in the experimental setup to generate the OAM beam. At the receiver, a spatial beam analyzer was used to measure the intensity pattern of the OAM beam. The beam broadening effect of the OAM beam at different transmission distances was studied. The phase pattern of the OAM beam was studied by the interferometric method. At the receiver, a single path Sagnac interferometer (SPSI) was used to separate and detect the intensity of modes of the OAM beam. The effects of energy migration from the sending mode to the sideband modes of the OAM beam were studied. A heater was used to generate the strong turbulence to simulate the influence to the OAM beam mode transmission characteristics. The experimental results show that the OAM beam with large mode topological charge has more deterioration of the mode purity after transmission in the strong turbulence.
Keywords: optical orbital angular momentum    free-space transmission    digital micromirror device    Sagnac interferometer    

1 引言

轨道角动量(Orbital angular momentum, OAM)光场由于具有独特的光强和相位分布[1],近年来已经在诸多领域得到了广泛应用,例如微机械系统[2],光镊技术[3],超高分辨率的显微成像技术[4],高维量子信息处理[5],自由空间光通信等[6-7]。光OAM作为一个极具潜力的自由度,理论上可以提供无限多的具有不同拓扑荷数的正交态,提供了多OAM模式复用通信的可能性[8]。将OAM光束复用技术应用于自由空间光通信和光纤通信,已经成为信息光学领域非常重要的研究方向之一[9-10]

2011年南加州大学的Willner研究团队利用OAM复用实现了1 m距离内的Tbit/s级的光传输,频谱效率高达12.8 (bit/s)/Hz,成为了OAM自由空间光通信领域的一次重大突破[6]。此后,国内外学者开展了一系列的OAM自由空间光通信实验研究[11-13],验证了基于OAM复用技术的空间光通信系统可以实现超高速的数据传输。其中,2016年华中科技大学的王建等人与南加利福尼亚大学的合作实现了基于2个OAM模式复用通信距离260 m的空间光通信系统[13],每个信道调制有40 Gbit/s的16-QAM信号。这是目前已报道的最远距离OAM光束复用空间光通信实验。

影响OAM光束空间光通信系统特性的一个重要因素就是大气湍流的扰动。对基于OAM复用的空间光通信系统而言,它会造成光束漂移、光强闪烁、相位分布波动等各种影响[14-15],导致OAM光束模式特性的破坏[16],造成不同OAM模间串扰,进而影响OAM光束空间复用通信系统的特性。目前,关于OAM光束空间传输特性的研究已经有较多的仿真分析方面的研究[17-19]。主要应用薄相位屏模型对OAM光束的空间传输特性进行分析[20]

由于室内属于准静态弱湍流环境,相比于室外环境湍流强度更容易得到控制和量化,有利于进行理论验证和不同湍流强度下传输特性的研究[21-22]。2012年,美国罗切斯特大学的Rodenburg等人使用空间光调制器来引入模拟大气湍流,研究了实验室环境下模拟大气湍流对OAM光束的模式纯度的影响[23]。2014年,奥地利维也纳大学的Krenn等人于维也纳进行了3 km的城市大气环境下的OAM光束空间传输实验[24],并使用模式识别算法对16种不同的OAM叠加模式进行了检测分析。2017年,英国格拉斯哥大学Lavery等人在城市环境下进行了1.6 km的OAM光束空间传输实验[25],对传输后OAM光束的漂移、功率扰动、OAM模式串扰等方面进行了分析。由于大气湍流扰动的复杂性,上述的实验研究远远不够充分,开展OAM光束的实际传输特性的详细实验研究对建立OAM光束复用空间光通信系统来说具有重要意义。

2 实验装置

我们进行了50 m的室内OAM光束的空间传输实验,对OAM光束的短距离传输特性进行了研究。在发射端使用数字微镜设备(digital micromirror device DMD)产生轨道角动量(OAM)光束。在接收端使用一个单路Sagnac干涉仪实现对OAM光束模式的分离检测。实验测量了5 m和50 m两种不同距离下OAM光束传输的展宽效应,相位分布以及模式串扰等,并对实验结果进行了分析。研究了指向偏差对OAM自由空间光通信系统的影响。通过加热对大气信道施加模拟的湍流扰动,进一步对OAM光束模式纯度在不同湍流强度下的变化进行了研究。

OAM光束空间传输特性实验装置如图 1所示。图 1(a)为OAM光束传输系统的实验光路布置,OAM光束的发射端和接收端位于同一侧,OAM光束经过两个平面镜反射后返回,自由空间光路为50 m。两个反射镜的中心距为10 cm。两条光路不相互重叠。

图 1 OAM光束自由空间传输系统。(a) 50 m的室内OAM光束传输自由空间光路;(b) OAM光束的发射端的实验装置;(c) OAM光束的接收端的实验装置 Fig. 1 Experimental setup. (a) 50 m OAM beam indoor free-space link; (b) The transmitter of OAM beam; (c) The receiver of OAM beam. NPBS: Non-polarizing beam-splitter; BE: Beam expander; M: Mirror; HWP: Half wavelength plate; DP: Dove prism; Tx-tel: Transmitter-telescope; Rx-tel: Receiver-telescope; Pol: Polarizer; CBP: Camera beam profiler

图 1(b)为OAM光束发射端的结构。发射端使用数字微镜设备(DMD)来产生OAM光束[26-27]。将叉形光栅图加载到DMD上,形成一个反射式的二元振幅型叉形光栅[28],对入射的高斯光束进行衍射调制,从而产生不同轨道角动量的OAM光束[29]。所使用的DMD型号为DLP4500,刷新速率为4 kHz,微镜单元为斜45°排列,如果加载水平垂直线条图案,其显示方式实际是用锯齿线来近似显示直线[30]。因此,在实验中将叉形光栅图按照如图 2所示方式加载。产生OAM光束所使用光源为波长632.8 nm的He-Ne激光器,功率约为2 mW,出射高斯光束的束腰直径约1 mm。经过三倍扩束器扩束后的光束使用一个半波片调整偏振方向,再使用一个线偏振器来提高线偏光的消光比,以提高检测光路的分离可见度[31],同时减少环境光对入射高斯光束偏振态的影响。该光束经过一个反射镜入射到DMD上,选择衍射的各级光束即可以得到实验所要的各阶OAM光束。

图 2 不同拓扑荷数l的二元叉形光栅图。(a) l=1; (b) l=2; (c) l=3 Fig. 2 Forklike gratings for different OAM topological charges l. (a) l= 1; (b) l=2; (c) l=3

图 1(c)为OAM光束接收端的结构示意图。使用三倍望远镜对OAM光束进行缩束后进入单路Sagnac干涉仪(single-path Sagnac interferometer, SPSI)。SPSI相比于Mach-Zehnder干涉仪具有较高的稳定性。由于系统中使用的Dove棱镜(Dove prism, DP)会改变光束的偏振性[32],因此使用两个半波片调整光的偏振态,调整后的SPSI与输入偏振无关[31]。当DP的旋转角度α=π/4时,奇数阶和偶数阶的OAM模式将分别从出口c和d输出。由于路径d与光输入路径重叠,因此再引入一个偏振无关分束器(non-polarizing beam-splitter, NPBS),NPBS1将d的输出分离进行探测。在两个出口分别使用一个功率计(Thorlabs PM100D)和一个光束分析仪(Thorlabs BC106N)对出射光束进行功率探测和记录分析。用这种光路可以研究经过传输后的OAM光束的模式纯度特性[33]。光束分析仪使用12位140万像素的CCD作为探测器,探测孔径大小9.5 mm,像素单元尺寸6.45 μm×6.45 μm,最短曝光时间20 μs。

3 空间传输OAM光束的展宽效应的实验测试

OAM光束的展宽效应是指在接收端接收到光束的光斑尺寸发生了扩展,反应了OAM光束的光强分布在传输过程中的变化。这种展宽效应会使得在接收端对OAM光束的聚焦和检测变得困难,从而导致整个通信系统性能降低。

实验研究了传输距离5 m和50 m的OAM光束的空间传输展宽效应,可以测出随着拓扑荷l与传输距离z的增加,OAM光束的光斑尺寸也增大。图 3(a)图 3(b)分别为传输距离z=5 m和z=50 m时所观测到的OAM光束的光强分布图。

图 3 不同传输距离下的OAM光束光强分布图。(a)传输距离z=5 m;(b)传输距离z=50 m。(对应OAM模式为l=1~6) Fig. 3 Intensity patterns of the OAM beam at different transmission distance. (a) z= 5 m; (b) z=50 m. l=1~6

作为对比分析的参考,可以基于菲涅尔衍射模型计算在理想条件(无大气湍流作用)下不同模式的OAM光束在自由空间传输过程中的光强分布的变化。OAM光束横截面上光强最大的圆周直径D定义为OAM光束的尺寸[34]

$D = \sqrt {2|l|} \sigma \sqrt {1 + \frac{{2{z^2}}}{{{k^2}{\sigma ^4}}}} , $ (1)

其中:l是拓扑电荷数,$\sigma $是束腰半径大小,z为传输距离,$k = 2{\rm{ \mathsf{ π} }}/\lambda $为波矢。

对拓扑荷l=0束腰半径1.3 mm的高斯光束进行准直,获得近似平行光,测量得其发散角约为0.01 mrad。以此为基准,在接收端使用光束分析仪直接测量不同距离下的OAM光束的展宽效应。具体测量方法为使用光束分析仪分别测量xy方向上的光强分布曲线,计算每条曲线两个光强峰的间距${w_x}$${w_y}$,并取其平均值作为OAM光束的尺寸。测试环境为室内走廊,每个位置重复测量三次,所有测量均选择在深夜至凌晨进行,大气环境相对静止稳定。图 4(a)图 4(b)分别对应拓扑荷l=1~3和l=4~6的OAM光束在0~50 m不同位置的尺寸变化情况。由式(1)计算出各阶OAM光束展宽的理论值与实测值的对比,结果验证了实验测量的展宽值与理论值在变化趋势上是一致的。进一步观察会发现实验数据点均明显地高于理论值,造成此现象的原因有两方面:一方面大气湍流的存在会增加OAM光束的扩展效应,通常在传输过程中,当光束尺寸与大气湍流相比明显较小时会发生偏折现象,当光束尺寸大于所穿过的湍流尺寸时,光束主要发生扩展现象[35];另一方面,接收系统的测量误差也会造成一定的影响。

图 4 不同传输距离下的OAM光束尺寸变化图。(a) l=1, 2, 3;(b) l=4, 5, 6 Fig. 4 The sizes of OAM beams at different transmission distance. (a) l=1, 2, 3; (b) l=4, 5, 6
4 空间传输OAM光束的相位变化特性及其干涉检测

拉盖尔高斯(LG)模式OAM光束的光场可以表示为[1]

$ E(\rho , \varphi ) = \sqrt {\frac{{{\rm{2}}p{\rm{!}}}}{{{\rm{ \mathsf{ π} (}}p + |l|{\rm{)}}!}}\frac{{{P_0}}}{{{\sigma ^2}}}} \exp\left[ { - \frac{{{\rho ^2}}}{{{\sigma ^2}}}} \right]{\left[ {\frac{{2{\rho ^2}}}{{{\sigma ^2}}}} \right]^{|l|/2}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \cdot L_p^{|l|}\left[ {\frac{{2{\rho ^2}}}{{{\sigma ^2}}}} \right]\exp ({\rm{i}}l\varphi ), $ (2)

其中:$\rho , \varphi $表示柱坐标系下的径向距离和方位角,l为OAM拓扑荷数,p为径向量子数,$\sigma $为束腰半径大小,$L_p^{|l|}$为广义的Laguerre多项式。OAM光束相位的角向分布为$\exp ({\rm{i}}l\varphi )$。由于无法对OAM光束的相位分布进行直接测量,因此在接收端使用了相等拓扑荷相反极性的OAM模式光束干涉的方法进行相位特性检测。当拓扑荷值为$ \pm l$的拉盖尔-高斯模式OAM光束干涉时,假设两光束光强相等为I,则其干涉场光强分布为

${I_{{\rm{in}}}} = 4I{{\rm{e}}^{ - 2{\rho ^2}/{\sigma ^2}}}{\left( {\frac{{2{\rho ^2}}}{{{\sigma ^2}}}} \right)^l}{\left| {L_p^{|l|}\left( {\frac{{2{\rho ^2}}}{{{\sigma ^2}}}} \right)} \right|^2}{\cos ^2}(l\varphi ), $ (3)

传输距离z=5 m和z=50 m时得到的相等拓扑荷相反极性的OAM光束干涉图如图 5所示。测试环境为室内走廊,测试时间选择在深夜至凌晨进行,大气环境相对静止稳定。图 5(a)图 5(b)分别为传输距离z=5 m和z=50 m的同轴干涉结果。从干涉图中可以观察到,除了光强沿着径向变化外,干涉条纹含有2l个叶片,等间距均匀分布在以光轴为中心的圆环上。图 5(c)为传输距离z=50 m的离轴干涉结果,其干涉条纹出现了位错呈叉状,与同轴干涉结果类似,位错数为两倍的拓扑荷值l。通过比较图 5(a)~5(c)可以发现传输距离为50 m时的干涉图已经变得模糊,虽然似乎仍然保持原来的结构,但部分已经遭到破坏。这些结果定性说明了由于传输的影响,OAM光束的相位已经出现畸变,导致了OAM态的纯度的下降。

图 5 不同传输距离下相等拓扑荷相反极性的OAM光束干涉光强分布图。(a)传输距离z=5 m QUOTE (同轴干涉);(b)传输距离z=50 m QUOTE (同轴干涉);(c)传输距离z= 50 m(离轴干涉) Fig. 5 Interference patterns of OAM for ±l at different transmission distance. (a) z=5 m for coaxial interference; (b) z=50 m for coaxial interference; (c) z=50 m for off-axis interference
5 空间传输OAM光束的指向偏差特性实验

在OAM自由空间光通信系统中,指向偏差(pointing error)的大小是决定OAM通信系统性能和稳定性的一个重要指标[36]。由于大气湍流、收发端的机械振动等因素的影响,OAM光束在大气中传输时会发生随时间变化的偏折,从而在发射端和接收端之间产生指向偏差[37-38]

5.1 OAM光束自由空间传输指向偏差的测量

对传输距离z=5 m和z=50 m时的OAM光束的指向偏差的大小进行了测量。在接收端通过光束分析仪对光束与传输轴的偏移位置进行了统计。测试环境同样在室内走廊,测试时间是在深夜至凌晨,大气环境相对静止稳定。监测时间为180 s,采样间隔400 ms,得到两种距离下的光束强度中心的轨迹如图 6所示。大气湍流具有随时间变化的随机性,不同时刻监测到的轨迹变化对应着当时湍流对光传输的影响。对于准静态的相对稳定的大气环境下,湍流强度近似不变。并且随着距离的增加,对光束所造成的扰动具有累积效应[39]。根据测得的数据点拟合出涵盖所有数据点的最小圆形范围(最小闭合圈)。从图 6中可以看到,传输距离z=5 m和z=50 m时的最小闭合圈半径分别为28 μm和104 μm,显然50 m处的指向偏差更大。光束的偏移向量$\mathit{\boldsymbol{r}} = {[x, y]^{\rm{T}}}$,其中xy分别表示沿水平轴和垂直轴的偏移值。$r = |\mathit{\boldsymbol{r}}|$应符合贝克曼(Beckmann)分布[40]。进一步计算出各个数据点${r_i}$的均值$\hat r$和标准差$\delta $,有:

$\hat r = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{r_i}} , $ (4)
$\delta = \sqrt {\frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{{({r_i} - \hat r)}^2}} }。$ (5)
图 6 不同传输距离下接收光束与传输轴偏离位置的统计结果。(a)传输距离z=5 m;(b)传输距离z=50 m Fig. 6 Statistics of the displacement of the received beams with respect to the propagation axis. (a) z= 5 m; (b) z=50 m

图 6(a)图 6(b)的数据进行处理,计算得到平均指向偏差的大小分别为${\hat r_{{\rm{d}}1}} \approx 10$μm (传输距离z=5 m)和${\hat r_{{\rm{d}}2}} \approx 50$μm(传输距离z=50 m),如图 6(a)6(b)中虚线圈对应半径。平均偏离光轴角度偏差为${\hat \theta _{\rm{d}}} = \arctan ({\hat r_{\rm{d}}}/z)$,其z为OAM光束传输的距离。

5.2 指向偏差对OAM光束模式纯度的影响

在理想情况下,传输不改变OAM光束的轨道角动量模式,但由于受到大气湍流等因素的影响,所造成的指向偏差会导致接收端OAM光束模式间发生能量转移,使其纯度降低。

当OAM光束出现指向偏差时,假设径向偏移量为${r_{\rm{d}}}$,矢量方向的方位角为$\theta $,此时偏离的l阶OAM光束的复振幅表达式可以变换为[41]

${E_{\rm{d}}}(\rho , \varphi ) = \sum\limits_{m = - \infty }^\infty {{A_{ml}}(\rho , {r_{\rm{d}}})} \exp [{\rm{i}}m\varphi - {\rm{i(}}m - l{\rm{)}}\theta ], $ (6)

其中:

$ {A_{ml}}(\rho , {r_{\rm{d}}}) = \frac{{{E_l}}}{{{\sigma ^l}}}\exp \left( { - \frac{{{\rho ^2} + r_{\rm{d}}^2}}{{{\sigma ^2}}}} \right)\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\ \cdot \sum\limits_{n = 0}^l {C_l^n} {\rho ^n}{( - {r_{\rm{d}}})^{l - n}}{{\rm{J}}_{m - n}}\left( {\frac{{2\rho {r_{\rm{d}}}}}{{{\sigma ^2}}}} \right), $ (7)

m阶的OAM光束的振幅分量,$C_l^n$为二项式系数,$\sigma $为束腰半径大小,${{\rm{J}}_m}$为修正的m阶贝塞尔函数[42]。从式(6)可以看出,指向偏差使原来纯l阶OAM光束发生了模式扩展,且扩展模式的功率谱以m=l阶为中心呈对称分布。

使用如图 1(c)所示的单路Sagnac结构的干涉仪检测系统对OAM光束的模式纯度进行检测。Dove棱镜的旋转角度α=π/4,当接收OAM光束模式为奇数阶时,在c(d)出口发生干涉相长(相消),当接收光束模式为偶数阶时,情况相反。OAM模式纯度(mode purity)定义为[31]

$\mathcal{F} = \frac{{{P_{{\rm{ori}}}}}}{{{P_{{\rm{total}}}}}} = \frac{{{\eta _{mm}}}}{{{\eta _{mm}} + \sum\nolimits_{n \in z}^{n \ne m} {{\eta _{mn}}} }} = \frac{{{I_{\max }}}}{{{I_{\max }} + {I_{\min }}}}, $ (8)

其中:${P_{{\rm{ori(total)}}}}$为初始模式(所有模式)的OAM光束功率大小,${\eta _{mm{\rm{(}}mn{\rm{)}}}}$m阶OAM光束经过传输后为m阶(n阶)模式的概率,${I_{\max (min)}}$为干涉相长(相消)输出口的光强大小。在实际测量过程中,使用一个功率计(Thorlabs PM100D)和一个光束分析仪(Thorlabs BC106N)同时对c,d口进行监测,以消除OAM光束的光强起伏所造成的影响。光束分析仪(BC106N)内部集成功率计,测量范围1 fW~1 W,使用前与功率计(PM100D)进行校准。光功率计探头(Thorlabs S130C)的探测孔径大小9.5 mm,测量精度100 pW。

在接收端,所有不是初始模式的信号都被认为是噪声,OAM光束的信噪比可以写为

$SNR = \frac{{{P_{{\rm{ori}}}}\eta _{mm}^2}}{{\sum\nolimits_{n \in z}^{n \ne m} {{P_{{\rm{ori}}}}\eta _{mn}^2 + {N_0}} }} = \frac{{\eta _{mm}^2}}{{\sum\nolimits_{n \in z}^{n \ne m} {\eta _{mn}^2 + {N_0}} }}, $ (9)

其中${N_0}$高斯白噪声的平均功率。由式(9)可以看出,当${N_0}$为一定值时,传输后的OAM光束模式纯度大小将会对通信系统的性能产生直接影响。

对传输距离z=5 m和z=50 m时的纯度进行检测,测量时间为20 s,取样次数为150次。两种距离下对应的平均指向位置差大小分别为10 μm和50 μm。使用6个OAM模式(l = 1, 2, …, 6),两种正交的偏振态进行测量。结果如图 7所示,空心柱对应z=5 m时的情况,其所有OAM模式纯度最低为91.1%,最高为97.1%。实心柱对应z = 50 m情况,它的最低模式纯度降低至89.2%,最高为95.3%,约降低3%。对比图 7(a)图 7(b),正交两偏振OAM模式纯度的变化没有明显不同,说明自由空间OAM光束传输偏振相关性较小。

图 7 不同传输距离下的OAM光束模式纯度。(a)水平偏振; (b)垂直偏振 Fig. 7 The mode purity of the OAM beam over distance of 5 m (hollow bars) and 50 m (solid bars) for six OAM modes and two polarizations. (a) Horizontal; (b) Vertical

长距离OAM光束自由空间传输会由于湍流效应影响接收端的模式纯度。根据文献[25],在短距离自由空间光通信中,指向偏差被认为是大气湍流最主要的影响。使用加热法模拟不同强度的湍流[43],将加热器放置于信道中间的升降台上,通过调整加热器的温度和高度来调控湍流大小,并以平均指向偏差近似表征湍流强度。实验结果如图 8所示。随着指向偏差的增大,不同模式的OAM光束的纯度会不断下降,当模拟湍流增强至平均指向位置差${\hat r_{\rm{d}}} = 427 $μm ${\rm{(}}{\hat \theta _{\rm{d}}}{\rm{ = 8}}{\rm{.54}} \;{\rm{ \mathsf{ μ} rad)}}$时,l=1的OAM模式纯度下降至77.4%,l=6的OAM模式纯度为33.4%。拓扑荷值l越大,OAM模式纯度值越低,说明其所受到湍流影响相对更严重,进而造成OAM模式的串扰。所以在长距离较大湍流效应作用下,OAM光束自由空间光通信的特性会因此明显下降。

图 8 OAM光束在不同湍流强度下的模式纯度演化 Fig. 8 The purity of OAM beam of six modes (l=1~6) at different turbulence strength
6 结论

在传输距离为室内0~50 m的条件下,使用空间光束模场分析仪测量传输后被接收端接收的OAM光束的光强分布,得到不同传输距离下OAM光束的模场展宽效应。并且与菲涅尔衍射模型计算得出的OAM光束传输展宽的理论值进行了对比分析,验证了两者在趋势上是一致的。通过干涉法研究了传输对OAM光束相位分布特性的影响。实验结果表明,在大气扰动下的传输距离越长相位分布的破坏越严重。在接收端使用单路Sagnac干涉仪对传输后OAM光束的各阶模式进行分离检测的方法,实验研究了不同传输距离下传输导致的OAM光束的能量从产生的模式向临近各阶模式的迁移再分配。进一步使用局部加热的方法模拟较强的大气湍流扰动的作用,实验结果表明,较长的传输距离和较强的湍流导致OAM光束的能量从产生的模式向临近各阶模式更快地迁移,并且OAM光束的拓扑荷值越大,传输后模式纯度的劣化越严重。上述实验研究的结果可以为分析OAM多路复用空间光通信系统的误码特性提供依据。

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