軌道角動量及其在光通信中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，高速大容量是光通信發(fā)展的必然趨勢。在目前已有通信維度資源（偏振/幅度/相位/頻率/時隙）開發(fā)殆盡初現(xiàn)“新容量危機”的情況下，“新維度探索”是從根本上大幅提升系統(tǒng)容量的關(guān)鍵所在。近年來，通過開發(fā)利用與光波橫向空間相位關(guān)聯(lián)的軌道角動量（OAM:orbital angular momentum）維度，提升系統(tǒng)容量和頻譜效率在國內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注。與自旋角動量不同，軌道角動量與螺旋形相位波前聯(lián)系在一起，理論上取值無窮且彼此

2、正交、易于區(qū)分，因此在通信應(yīng)用中有著巨大潛力。本文主要從自由空間OAM光通信、光纖OAM光通信、基于OAM的光信號處理與操控技術(shù)三個層面針對目前OAM光通信中的關(guān)鍵問題展開了理論和實驗研究，具體內(nèi)容如下：
　　（1）從軌道角動量定義出發(fā)推導(dǎo)了螺旋相位與光子軌道角動量之間的關(guān)系，驗證了OAM光束的空間正交性；介紹了常見OAM光束類型以及在光通信應(yīng)用中如何選型。討論了基于空間光調(diào)制器（SLM）的OAM光束產(chǎn)生、檢測、復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)。

3、詳細(xì)分析了OAM模式的光纖傳輸特性。
　　（2）實驗研究了自由空間多維度融合OAM光通信系統(tǒng)。首先實現(xiàn)了攜帶17.9-Gbit/s OFDM/OQAM64-QAM的雙偏振22個OAM模式（44個信道）復(fù)用，頻譜效率達230 bit/s/Hz；進一步實現(xiàn)了實現(xiàn)了攜帶54.139-Gbit/s OFDM-QAM信號的雙偏振26個OAM信道結(jié)合368個波長的復(fù)用傳輸（19136個信道），系統(tǒng)總?cè)萘繛?.036 Pbit/s,頻譜效率為1

4、12.6 bit/s/Hz。
　?。?）通過操控OAM光束的螺旋相位波前，實驗和理論研究了OAM信息廣播與復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)。利用單個SLM加載特殊設(shè)計的復(fù)雜相位板，實現(xiàn)了單個高斯光束到34個OAM模式的信息廣播；緊接著，通過在廣播系統(tǒng)中引入反饋校正實現(xiàn)了功率可控的OAM信息廣播；進一步的，通過結(jié)合偏振、波長維度，實現(xiàn)了單個信道到1100信道（25波長×22 OAM×2偏振）的多維信息廣播。此外，還利用單個特殊設(shè)計的復(fù)雜相位板實現(xiàn)了

5、多個OAM模式的同時解調(diào)與調(diào)控。
　?。?）實驗研究了OAM光通信大氣湍流校正技術(shù)。首先介紹了大氣湍流仿真理論和基于自適應(yīng)光學(xué)的OAM光通信大氣湍流校正系統(tǒng)。利用Shack-Harman波前傳感器和SLM組成的自適應(yīng)波前校正系統(tǒng)實現(xiàn)了對4通道和8通道OAM廣播的大氣湍流校正，有效降低了廣播信道的功率抖動、信道串?dāng)_，提升了誤碼率（BER）性能。接著研究了Bessel光束復(fù)用通信大氣湍流補償技術(shù)，并考慮了Bessel光束同時經(jīng)過湍流和

6、障礙物的復(fù)雜情況。
　?。?）理論和實驗研究了光纖OAM光通信技術(shù)。首先提出并優(yōu)化設(shè)計了具有低模間串?dāng)_和芯間串?dāng)_的7-芯多OAM多環(huán)光纖。進一步的，為了增大單根光纖支持的纖芯數(shù)，在7-芯光纖的基礎(chǔ)上引入了抑制芯間串?dāng)_的低折射率溝道，設(shè)計了19-芯多OAM多環(huán)光纖；光纖包層僅為130μm，單根光纖可以支持22模式×19環(huán)=418空分信道，充分利用了空間維度。此外，為了實現(xiàn)低非線性的OAM光纖，本文提出并設(shè)計了超模OAM光纖；仿真結(jié)果