本发明属于光纤通信，更具体地，涉及一种光纤模式解复用通信方法及系统。
背景技术：
1、光纤模式复用通信技术是光纤通信技术领域新兴的研究热点之一。传统的模式复用通信系统大多采用基于时域或频域的均衡算法对光纤中的多个模式进行空间分离、减低串扰、去除噪声等处理，从而达到模式复用及解复用的目的。但是由于这类算法均来源于复杂的通信原理且兼容于传统的通信器件，导致其设计复杂度较高、传输准确度较低且器件体积大、耗能高。
技术实现思路
1、本发明通过提供一种光纤模式解复用通信方法及系统，解决现有技术中光纤模式解复用通信系统设计复杂度高、传输准确度低且体积大、耗能高的问题。
2、本发明提供一种光纤模式解复用通信方法，包括以下步骤：
3、步骤1、确定光纤中若干种可同时且独立传输的模式，计算各模式的横向复振幅分布，并作为超表面上若干个信道的输入复振幅分布；选取所述超表面透射空间中同一远场接收平面上的若干个独立的目标区域，确定若干种模式的目标区域强度，并作为所述超表面上若干个信道的输出强度分布；
4、步骤2、根据所述光纤的工作波长，以及所述超表面上若干个信道的输入复振幅分布和输出强度分布，确定所述超表面的结构与参数；
5、步骤3、选取若干组比特数据，利用信号发射器以相干调制的方式将其分别加载在所述光纤的若干种模式上，经所述超表面进行解复用传输后，分别于所述超表面透射空间中同一远场接收平面上的若干个目标区域耦合进对应的信号接收器中，经信号接收器解调后得到若干种模式各自加载的比特数据。
6、优选的，所述步骤1中，通过以下方式计算得到各模式的横向复振幅分布：基于模式的类型，确定模式各自的归一化截止频率v、归一化径向常数u和衰减常数w的取值，划分横向振幅分布网格，计算得到模式的横向振幅分布；根据模式的特性，对其横向振幅分布进行相位分布的叠加，得到模式的横向复振幅分布。
7、优选的，所述步骤1中，各个模式对应的目标区域的面积与所述光纤的纤芯横截面积为同一量级，不同模式对应的目标区域位于远场接收平面上的不同位置。
8、优选的，所述步骤2包括以下子步骤：
9、基于所述超表面上若干个信道的输入复振幅分布和输出强度分布，优化所述超表面的相位分布，得到所述超表面的基底上若干纳米结构的转角排布；
10、根据所述光纤的工作波长，确定所述超表面的工作波长，并确定所述超表面的基底和纳米结构的材料特性参数；
11、基于所述超表面的工作波长，扫描纳米结构的几何参数，确定所述超表面的基底和纳米结构的尺寸参数，使得所述超表面具有偏振转化和相位调制的半波片功能；
12、构造所述超表面的排布方式，包括基底和位于基底上的呈周期性排布的若干尺寸相同、转角不同的纳米结构，基于优化得到的转角排布，对所述超表面的基底上的若干纳米结构进行周期性排布，得到用于实现光纤模式解复用通信的所述超表面。
13、优选的，所述输出强度分布o表示为：
14、
15、其中，i表示输入复振幅分布，p表示超表面的相位分布，f表示傅里叶变换；
16、基于上述公式，利用算法优化迭代得到所述超表面的相位分布。
17、优选的，将所述光纤的工作波长作为所述超表面的工作波长，所述超表面的基底和纳米结构的材料均采用对工作波长光具有透射率高于70%的单晶硅材料。
18、优选的，所述超表面的基底划分为若干个尺寸一致的周期性的正方形单元，其边长均为cs；每个所述正方形单元的工作面上设置有一个立方体结构的纳米砖，其长度均为l、宽度均为w、高度均为h；
19、在工作波长下，利用电磁仿真软件扫描正方形单元的边长cs以及纳米砖的长度l、宽度w和高度h，选取使所述超表面的偏振转化效率和相位调制量满足预设条件的几何参数。
20、优选的，所述正方形单元的工作面上建立坐标系xoy，x轴和y轴分别与工作面的两组边平行，将纳米砖的长轴方向与x轴方向的夹角作为纳米砖的转角θ；
21、基于超表面的相位分布p与纳米砖的转角θ之间两倍的关系，根据确定的超表面相位分布确定纳米砖的转角排布。
22、优选的，所述步骤3中，所述信号发射器以相干调制的方式加载于所述光纤的各个模式上的比特数据来自于选定的若干个发射图像，将发射图像的像素矩阵依次排列为序列，作十进制到二进制的转换，生成对应的比特数据；所述信号接收器于各个目标区域耦合的比特数据，作二进制到十进制的转换，按序恢复为像素矩阵，得到接收图像。
23、另一方面，本发明提供一种光纤模式解复用通信系统，包括：信号发射器、光纤、超表面和信号接收器；所述光纤模式解复用通信系统用于执行上述的光纤模式解复用通信方法中的步骤。
24、本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
25、（1）本发明利用超表面实现了光纤中各个模式类型的解复用及各个模式信道的数据传输。光纤中各个模式加载的比特数据，通过超表面模式解复用通信平台（即用于实现光纤模式解复用通信的超表面），能够同时且独立地在各自的工作信道中传输，并在透射空间中同一远场接收平面上的不同目标区域接收。本发明降低了光纤模式解复用的设计复杂度，提高了光纤模式解复用通信的传输准确度，促进了光纤模式解复用的高效率、低串扰及光纤通信器件的小型化、集成化。本发明在光纤通信、模式识别、数据传输、图像显示以及信息加密等领域有着潜在的研究价值和广阔的应用前景。
26、（2）相较于基于超表面实现空间中大面积简单字符全息显示的技术方案，本发明中目标为小面积区域，能够将出射能量集中到一个小面积区域中，贴近信号接收器中接收光纤的纤芯横截面积，使得更多能量耦合进信号接收器，能够降低器件的体积和耗能，且本发明能够以比特数据的方式对复杂的图像进行传输和显示，能够获得更高质量的图像和更为丰富的信息，进而能够实现空间光调制和光纤通信的集成应用。
1.一种光纤模式解复用通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的光纤模式解复用通信方法，其特征在于，所述步骤1中，通过以下方式计算得到各模式的横向复振幅分布：基于模式的类型，确定模式各自的归一化截止频率v、归一化径向常数u和衰减常数w的取值，划分横向振幅分布网格，计算得到模式的横向振幅分布；根据模式的特性，对其横向振幅分布进行相位分布的叠加，得到模式的横向复振幅分布。
3.根据权利要求1所述的光纤模式解复用通信方法，其特征在于，所述步骤1中，各个模式对应的目标区域的面积与所述光纤的纤芯横截面积为同一量级，不同模式对应的目标区域位于远场接收平面上的不同位置。
4.根据权利要求1所述的光纤模式解复用通信方法，其特征在于，所述步骤2包括以下子步骤：
5.根据权利要求4所述的光纤模式解复用通信方法，其特征在于，所述输出强度分布o表示为：
6.根据权利要求4所述的光纤模式解复用通信方法，其特征在于，将所述光纤的工作波长作为所述超表面的工作波长，所述超表面的基底和纳米结构的材料均采用对工作波长光具有透射率高于70%的单晶硅材料。
7.根据权利要求4所述的光纤模式解复用通信方法，其特征在于，所述超表面的基底划分为若干个尺寸一致的周期性的正方形单元，其边长均为cs；每个所述正方形单元的工作面上设置有一个立方体结构的纳米砖，其长度均为l、宽度均为w、高度均为h；
8.根据权利要求5所述的光纤模式解复用通信方法，其特征在于，所述正方形单元的工作面上建立坐标系xoy，x轴和y轴分别与工作面的两组边平行，将纳米砖的长轴方向与x轴方向的夹角作为纳米砖的转角θ；
9.根据权利要求1所述的光纤模式解复用通信方法，其特征在于，所述步骤3中，所述信号发射器以相干调制的方式加载于所述光纤的各个模式上的比特数据来自于选定的若干个发射图像，将发射图像的像素矩阵依次排列为序列，作十进制到二进制的转换，生成对应的比特数据；所述信号接收器于各个目标区域耦合的比特数据，作二进制到十进制的转换，按序恢复为像素矩阵，得到接收图像。
10.一种光纤模式解复用通信系统，其特征在于，包括：信号发射器、光纤、超表面和信号接收器；所述光纤模式解复用通信系统用于执行如权利要求1-9中任一项所述的光纤模式解复用通信方法中的步骤。
