ДИФРАКЦИОННЫЙ ФАЗОВО-АМПЛИТУДНЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к системам связи и передачи информации и может быть использована в радиофотонных и оптических системах связи.
Известно устройство формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка (патент RU 2565354, G02B 27/09, 20.10.2015), включающее последовательно расположенные по ходу распространения лазерного пучка прозрачный оптический элемент, по световой апертуре которого распределены элементы, изменяющие параметры проходящего через них лазерного излучения, фильтр пространственных частот, ретранслятор изображения. Элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, выполнены в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины.
Недостатком аналога является ограничение по функциональному формированию светового пучка, в частности устройство не позволяет задавать орбитально-угловой момент оптического излучения а также не формирует пучок с сохраняющимися параметрами, например, сохраняющейся поляризацией.
Известен дифракционный оптический элемент для формирования нерасходящегося светового пятна при плоской поляризации падающего излучения (патент RU 2458372, G02B 27/42, 10.08.2012), представляющий собой тонкую пластинку, на одну из поверхностей которой нанесен микрорельеф в виде круговой дифракционной решетки с прямоугольным профилем и периодом, близким к длине волны, выполнен из двух секций, расположенных по разные стороны от линии диаметра, перпендикулярной плоскости поляризации, причем кольцевые зоны в одной секции имеют сдвиг на половину периода круговой решетки по отношению к кольцевым зонам в другой секции.
Недостатком аналога является невозможность формирования пучка с заданным орбитально-угловым моментом, а также и пучка с сохраняющимися параметрами, например, с сохраняющейся поляризацией.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство, реализующее дифракционное профилирование распределения интенсивности частично пространственно когерентного светового пучка (заявка RU 2004104322, G02B 1/00, 10.03.2005), основанное на управлении распределением интенсивности частично пространственно когерентного поля оптического излучения на конечном расстоянии от его источника или в дальней зоне с использованием оптического элемента, установленного в указанном поле. Используемый для управления элемент выполнен дифракционным и периодическим в одном или в двух направлениях, ортогональных по отношению к направлению распространения падающего на него оптического излучения. При этом оптический элемент по изобретению выполнен с возможностью профилирования распределения интенсивности многомодовых пучков, формируемых лазерами, светодиодами или оптическими волокнами, в плоскости, перпендикулярной указанному направлению распространения.
Недостатком прототипа является ограничение по функциональному формированию светового пучка, в частности невозможность формирования пучка с заданным орбитально-угловым моментом, а также и пучка с сохраняющимися параметрами, например, с сохраняющейся поляризацией.
Задачей полезной модели является повышение информационной защищенности и информационной емкости оптических каналов.
Техническим результатом является формирование оптических пучков с заданным (уникальным) орбитально-угловым моментом, а также с орбитально-угловым моментом, обеспечивающим формирование пучка с сохраняющимися свойствами, в частности, с сохраняющейся поляризацией при распространении данного пучка в средах с искажениями.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в дифракционном фазово-амплитудном фильтре, содержащем тонкую пластинку, на поверхность которой нанесен микрорельеф в виде дифракционной решетки, согласно полезной модели профиль микрорельефа, определяющий смещение фазы в каждой элементарной области светового пучка, выполнен исходя из соотношения для собственных векторов  матрицы фазы А с собственными (n-ми) значениями
z
представляющего функцию фазы биспинора, который характеризует оптический пучок как элемент с определенным квантовым состоянием, описываемым гамильтонианом  учитывающим свойства канала передачи, причем результат коммутирования гамильтониана  равен нулю как с оператором , представляющим проекцию спина на ось z - направление распространения светового пучка, так и с оператором M, представляющим проекцию углового момента на ось z:
где  - матрица унитарного преобразования, учитывающего свойства канала, через который передается световой пучок.
Существо полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен дифракционный фазово-амплитудный фильтр с микрорельефом, определяющим смещение фазы в каждой элементарной области светового пучка, полученный в результате компьютерного моделирования по (*). На фиг. 2 изображены амплитудное и фазовое распределения оптического сигнала (светового пучка), сформированного фазово-амплитудным фильтром, представленным на фиг. 1, также полученные в результате компьютерного моделирования.
Дифракционный фазово-амплитудный фильтр представляет собой тонкую пластинку 1, на поверхность которой нанесен микрорельеф 2 в виде дифракционной решетки (фиг. 1), причем профиль микрорельефа, определяющий смещение фазы в каждой элементарной области светового пучка, выполнен исходя из соотношения (*). Величина смещения фазы на фиг. 1 представлена тоном: 0° - черный тон и 180° - белый тон. Вся структура фазово-амплитудного фильтра выполнена по технологии изготовления печатных плат и рассчитана на функционирование для оптических длин волн в диапазоне 1540-1560 нм.
z
Дифракционный фазово-амплитудный фильтр для формирования сигнала с орбитально-угловым моментом, сохраняющим поляризацию, работает следующим образом: световой пучок с гауссовским фазово-амплитудным распределением подается перпендикулярно и соосно плоскости дифракционного фильтра. Для каждой элементарной области подаваемого светового пучка происходит изменение фазы его излучения в соответствии с профилем микрорельефа, полученного из соотношения (*). На выходе фазово-амплитудного фильтра световой пучок оказывается сформированным в виде композиции двух орбитально-угловых моментов (фиг. 2) с встречным вращением и с порядками  и  (определяющими количество поворотов фазы при прохождении длины, равной длине волны излучения) соответственно. Указанная вихревая композиция обладает свойством сохранения поляризации излучения ввиду того, что соотношение (*), заложенное в основу расчета параметров микрорельефа предполагает подбор (нахождение) параметров пучка (квантового состояния), обеспечивающего равенство нулю результата коммутирования гамильтониана данного квантового состояния  учитывающего свойства канала передачи, как с оператором  проекции спина на ось z (направление распространения светового пучка), так и с оператором Mпроекции углового момента на ось z. Иными словами сформированный пучок, распространяющийся в канале с известными свойствами, является устойчивым к искажениям, а значит - обладает свойством сохранения параметров (в частности, поляризации) и, соответственно, обеспечивает информационную защищенность канала.
Поскольку сказанное выше справедливо для произвольного порядка , то в информационном канале можно передавать несколько (с разными порядками ) таких вихревых композиций, что и обеспечит многоканальное уплотнение световых пучков, а значит - расширение информационной емкости канала.
Итак, заявляемая полезная модель позволяет выполнить дифракционный фазово-амплитудный фильтр, обеспечивающий формирование светового пучка (сигнала) с орбитально-угловым моментом, сохраняющим поляризацию излучения за счет того, что световой пучок формируется исходя из параметров канала, а значит - оказывается устойчивым к действующим в канале искажающим факторам.