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【硕士生报告】涡旋光束实验与相关通信技术研究报告

发布者: 发表时间:2019-06-29

发布日期:2019年6月29日 作者:岳亚锋 编辑:冯建强  审核人:卢芳

岳亚锋硕士生的报告题目是《涡旋光束实验与相关通信技术研究报告》。随着国内信息化程度加深,人们对通信信息量的需求加大,但是通信技术的增长率仅有社会信息增长率的60%左右。现需要从根本上实现通信容量的倍增,提高频谱效率。涡旋光束是携带有轨道角动量(OAM)、波前相位沿着传播方向呈螺旋形分布的光束。理论上,每一个单色波长的涡旋光束所携带的轨道角动量(OAM)是无穷且彼此正交的。这种特性表明了涡旋光束在提高通信容量方面有很高的潜在应用前景。将OAM复用技术与波分复用(WDM)和偏分复用(PDM)技术无缝结合,可以解决信息量暴涨的问题。

实验轨道角动量通信系统中,涡旋光束的质量决定着整个系统的性能,因而高质量的涡旋光束的产生和特性是热门话题。目前对涡旋光束的研究大多停留在理论阶段,缺乏实验验证。

本文主要研究内容分四个部分:

首先论述涡旋光束实验在国内外的研究近况以及其在光通信研究中的现状,结合国内外的通信技术发展现状,表明了涡旋光束在未来高速大容量通信技术发展中的巨大潜在应用前景。涡旋光束的基础理论部分介绍了涡旋光束的基本概念和几种在学习的常见的典型涡旋光束,进而介绍了自由空间光通信中应用涡旋光束的基本理论。

1-1  L-G光束的光强和相位图

图1-2   LP11 模式的光强及偏振分布

1-3 HE21evenHE21odd叠加时光的偏振与相位变化(a)偏振变化图; (b) 相位变化图

将涡旋光束的实验研究内容分涡旋光束实验产生、涡旋光束实验相位测量、涡旋光束测量传输特性实验三个部分。结合上学期已经完成的实验工作,分别详细介绍了使用少模光纤和液晶空间光调制器产生涡旋光束的方法,并说明了使用柱透镜、干涉法测量涡旋光束相位结构实验的具体内容。

1-3    球面波与涡旋光束干涉图样

1-4不同拓扑荷涡旋光束经过柱透镜后的光强图样

(a)TC=1(b)TC=-1(c)TC=3(d)TC=-3

此外,对即将进行的涡旋光束测量传输特性实验内容进行了仿真工作,分析了涡旋光束在大气湍流信道中的传输作用。从大气湍流对光束截面光强、相位的影响、传输光束螺旋谱分解三个方面分析了涡旋光束在大气中的传输特性。并研究了湍流强度、广义指数、大气湍流内、外尺度等不同参数对拓扑荷探测概率的影响。

Pm_Cn2Pm_Cn2

Pm_L0Pm_InnerScale

1-5大气湍流参量对拓扑荷探测概率的影响

(a)    湍流强度,(b)广义指数,(c)外尺度,(d)内尺度

    可以看出,L-G光束在大气湍流中传输同样的距离,湍流强度越大则拓扑荷探测概率越低;湍流内尺度越小,外尺度越大,则拓扑荷探测概率越低,原因在于:湍流内尺度越小,外尺度越大,则湍涡的数量越多,湍流的能量越大,因而湍流对光束的轨道角动量影响越大;拓扑荷探测概率随着广义指数的改变而改变,首先随广义指数的增大而降低,当达到最低点后又随着广义指数的增大而增大。

作者:岳亚锋

编辑:冯建强

审核人:卢芳