本文關鍵詞：模分復用光纖通信中的模式激勵與模式轉換方法研究　出處：《北京郵電大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：模分復用是高速光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的一個新的研究方向,通過模分復用可以大大提高光纖通信系統(tǒng)的容量。模式激勵和模式轉換是解決模分復用的關鍵基礎問題,高效率、低復雜度、高模式分辨率地激勵出任意的高階模式和實現(xiàn)不同模式的高效率、高速度的轉換問題是模分復用光纖通信系統(tǒng)得以應用的前提。 目前模式激勵和模式轉換方法的研究方向主要有：1)長周期光纖光柵、平面光波導、“光子燈籠”、光纖型耦合器等波導型結構法；2)相位屏(Phase Plate)、空間光調制器(SLM)、點陣耦合(Spot-Based)等自由空間光路方法。在上述方法中,由于基于光纖波導型結構的方法對實驗的工藝要求較高,而基于空間光調制器等自由空間光路的方法可以利用較為簡單的工藝和器件來實現(xiàn)高效率、低復雜度、高模式分辨率的模式激勵和模式轉換。因此,本論文的研究方向是基于相位共軛原理的任意模式激勵和基于空間光調制器的任意模式轉換方法。 論文首先介紹了模分復用的研究背景和國內外研究現(xiàn)狀。然后介紹了基于自由空間光路實現(xiàn)模分復用系統(tǒng)的模式控制的基礎理論,為后續(xù)模式激勵和模式轉換提供了理論依據。論文結合了諧振腔的結構與光場分布模式,提出了基于相位共軛原理的方形鏡平行平面腔的結構,并利用空間光調制器實現(xiàn)直接模式激勵,給出了仿真結果。論文提出了采用4f系統(tǒng)的基于空間相位調制的最優(yōu)模場匹配的任意模式轉換,并給出了基于最優(yōu)光闌孔徑的基模轉換高階模的實驗結果。最后提出了基于壓縮感知的模擬退火算法的精確模式轉換方法,并給出了仿真結果。 本文的主要研究工作和創(chuàng)新點如下： 1、基于相位共軛的任意模式激勵方法研究 激光諧振腔是激勵激光模式的有效方式之一。在模式的穩(wěn)定性、時間相干性、空間相干性和模式畸變程度等方面,用諧振腔直接產生激光模式的方法遠優(yōu)于通過外光場處理得到的激光模式方法。本論文通過分析模式光場分布特征,利用空間光調制器、Fox-Li數值迭代法和諧振腔結構,提出了基于相位共軛原理的外腔諧振的方形鏡平行平面腔的任意模式激勵方案,并通過matlab實現(xiàn)了仿真驗證,證明此方案的理論可行性,能夠通過特殊設計空間光調制器的端面,使得目標模式成為諧振腔的本征模,從而實現(xiàn)任意模式激勵。 2、基于空間相位調制的任意模式轉換研究 論文首先從空間域、空間頻率域和變換平面空間域分析了待轉換模式和目標模式的模場分布特征,進而從理論上建立了基于空間頻譜濾波的任意模式問轉換的傳遞函數模型,最終利用相位型空間光調制器構建了模式轉換光學系統(tǒng)。本論文提出了通過變換平面空間域的模場束腰半徑自適應不同模式模場半徑,得到變換平面空間域模場分布匹配原理,提出了變換平面空間域的模場束腰半徑與不同模式的模場分布間的匹配條件及待轉換模式和目標模式的模場半徑匹配解析方法。仿真結果證明,基于模場半徑匹配的空間頻譜濾波方法可實現(xiàn)不同模式間的轉換,模式轉換歸一化相關系數較高。論文搭建了基于最優(yōu)光闌孔徑的基模轉換高階模實驗平臺,通過實驗實現(xiàn)了基模轉換為LP11a、LP11b、LP02、LP03、LP21a、LP21b、LP12a、LP12b等模式。 3、模式的特征分析和精確模式轉換控制算法研究 論文利用壓縮感知和模擬退火算法,提出了基于模式的特征分析的精確模式轉換控制算法。通過對比及修正圖像處理的各種算法,在完成模擬退火算法的基礎上,嘗試有效地將光場分布稀疏化,利用基于壓縮感知的模擬退火算法調整空間光調制器上的相位分布,使其在圖像傳感器(CCD)上看到的實際模式圖更加接近仿真得到的標準模式分布圖。應用基于壓縮感知的模擬退火算法后,不僅計算量大大降低,而且可以實現(xiàn)比較精確的模式轉換控制。
[Abstract]:Mode - division multiplexing is a new research direction for the development of high - speed optical fiber communication system , which can greatly improve the capacity of optical fiber communication system . The mode excitation and mode conversion is the key basic problem to solve the division multiplexing . The high efficiency , low complexity , high mode resolution can excite arbitrary high order modes and realize the high efficiency of different modes . The high speed conversion problem is the precondition for the application of the optical fiber communication system . The research direction of the current mode excitation and mode conversion method is mainly as follows : 1 ) long - period fiber grating , planar optical waveguide , photonic lantern , fiber coupler , etc . The method can realize high efficiency , low complexity and high mode resolution mode excitation and mode conversion based on the optical fiber waveguide type structure . In this paper , the research background and the research status of mode - division multiplexing are introduced firstly . Then the basic theory of mode control based on free space optical path is introduced , which provides the theoretical basis for the follow - up mode excitation and mode conversion . The main research and innovation points of this paper are as follows : 1 銆，

本文編號：1403443