【摘要】：光子軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)具有本征態(tài)數(shù)量無限、多維量子糾纏、不同本征態(tài)之間相互正交等優(yōu)良特性,將其用于信息調(diào)制能獲得新的態(tài)域自由度,從而大幅提升通信系統(tǒng)的容量�；贠AM的無線光通信是一種極具潛力的通信方式,本文對其基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。首先,論文分析了OAM無線光通信的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,闡述了OAM承載信息和OAM復(fù)用/解復(fù)用的基本原理。其次,論文研究了OAM在大氣湍流中的傳輸特性。通過在光傳輸路徑上添加隨機(jī)相位屏,數(shù)值模擬了OAM光束的傳輸。模擬結(jié)果表明,大氣湍流對OAM光束產(chǎn)生畸變,破壞不同OAM態(tài)之間的正交性。進(jìn)一步,提出了OAM無線光通信系統(tǒng)在大氣湍流下的傳輸信道模型,仿真分析和理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)大氣湍流引起的自身OAM態(tài)功率衰減隨大氣湍流增強(qiáng)和拓?fù)浜山^對值的增大而越發(fā)嚴(yán)重,不同OAM態(tài)之間的串?dāng)_隨大氣湍流增強(qiáng)而變大,隨OAM態(tài)的間隔增大而減小。再次,論文研究了OAM無線光通信的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。在系統(tǒng)采用強(qiáng)度調(diào)制時(shí),提出了一種超立方體結(jié)構(gòu)的發(fā)送信號星座圖設(shè)計(jì)方案。在系統(tǒng)采用強(qiáng)度、相位聯(lián)合調(diào)制時(shí),單個OAM態(tài)可以加載二維調(diào)制信息,通過對調(diào)制信號的星座圖做優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了系統(tǒng)性能。此外,提出了一種在態(tài)域和時(shí)域均引入相關(guān)性的態(tài)時(shí)編碼方式,仿真表明相比傳統(tǒng)編碼方式,態(tài)時(shí)編碼能夠帶來顯著的多態(tài)分集增益。最后,論文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和性能指標(biāo)要求,設(shè)計(jì)了采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測和采用強(qiáng)度、相位聯(lián)合調(diào)制/相干檢測的兩套OAM無線光通信系統(tǒng)。根據(jù)最大化平均信干噪比準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)了一種最優(yōu)OAM態(tài)的選擇方案。研究了LDPC碼在OAM無線光通信中的應(yīng)用,仿真結(jié)果表明LDPC碼可在一定程度上減小大氣湍流帶來的性能損失。
【圖文】：

圖 1.1 Gibson 等設(shè)計(jì)的 OAM 無線光通信系統(tǒng)的系統(tǒng)中每個符號周期內(nèi)只發(fā)送一種OAM態(tài)種能夠同時(shí)傳輸多個OAM態(tài)的系統(tǒng)，用每個O”或“0”，從而每個OAM態(tài)能夠承載1比特信息齊曉慶[22]等人都提出了一種使用靜態(tài)全息圖的態(tài)光學(xué)系統(tǒng)以產(chǎn)生不同模態(tài)的OAM光束，對在混合OAM態(tài)的加載。M態(tài)之間的正交性，2011年Djordjevic提出利用

16QAM等調(diào)制方式）/相干檢測的OAM多重復(fù)用無線光通信系統(tǒng)，如圖1.2所示，實(shí)現(xiàn)了一公里內(nèi)32路攜帶不同信息的OAM光束的同時(shí)傳輸，達(dá)到了2.56Tb/s的信息傳輸速率和95.7bit/s/Hz的頻帶利用率。圖中A為16QAM調(diào)制模塊，B為DQPSK調(diào)制模塊，C為復(fù)用模塊，D為解復(fù)用模塊，E為相干檢測模塊，，F(xiàn)為直接檢測模塊。在這套系統(tǒng)中，4路高斯光束經(jīng)空間光調(diào)制器變成4路不同模態(tài)的OAM光束，這4路原始的OAM光束經(jīng)過如下三重復(fù)用最終變成32路OAM光束：（1）“正負(fù)”復(fù)用，即將原始的每束OAM光通過分束鏡等分為兩束，其中一路通過反射鏡將其變成拓?fù)浜汕『萌》吹腛AM光束，這樣獲得了8路不同的OAM光束；（2）極化復(fù)用，即將每束OAM光再次等分，等分后的兩路光束采取不同的極化方式，這樣獲得了16路不同的OAM光束；（3）半徑復(fù)用，即將每束OAM光進(jìn)行第三次等分，等分后的兩路光束通過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束成半徑不同的光束，這樣將極化復(fù)用后的16路OAM光束分成半徑級別不同的兩組光束，最終共獲得32路可以區(qū)分的OAM光束。在這32路OAM光束上各自采用16QAM等調(diào)制方式加載不同的信息，可以實(shí)現(xiàn)32路二維調(diào)制信息的同時(shí)傳輸，從而大幅提高信息傳輸速率。這套系統(tǒng)的成功研制顯示了OAM無線光通信的廣闊前景。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN929.1

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本文編號：2564981