【摘要】：眾所周知,軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum,OAM)光束對(duì)于提升自由空間光(Free Space Optical,FSO)通信頻譜效率和信道容量極具發(fā)展?jié)摿�。然�?OAM光束在傳輸過程中不可避免地會(huì)受到大氣湍流的影響,導(dǎo)致光束質(zhì)量畸變,嚴(yán)重影響通信質(zhì)量,甚至導(dǎo)致通信中斷。近年來,關(guān)于OAM空間光通信中的湍流抑制技術(shù),是該領(lǐng)域當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。已有研究顯示單從信號(hào)處理的角度無法改善光束質(zhì)量的畸變問題,而自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的對(duì)光束進(jìn)行波前校正,可有效解決光束畸變問題。然而,自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其校正算法的實(shí)施也受諸多因素影響。因此,設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、湍流環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的技術(shù)方案是突破當(dāng)前湍流畸變抑制技術(shù)的關(guān)鍵和難題。圍繞OAM光信號(hào)的湍流畸變抑制關(guān)鍵技術(shù),本文討論并設(shè)計(jì)三種抑制湍流畸變的技術(shù)方案,即:輔光共路分屏預(yù)處理GS(Gerchberg-Saxton)算法方案,光場(chǎng)特征提取的隨機(jī)并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法方案和輔光共路外差相干抗擾方案,主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)關(guān)于輔光共路分屏預(yù)處理的GS算法方案。首先將高斯光束與OAM光束在湍流信道中進(jìn)行共路徑傳播,隨后通過高斯屏過濾湍流屏,然后使受到湍流影響的OAM光束通過共軛湍流屏,便可得到發(fā)送OAM光束的場(chǎng)強(qiáng)分布。以此場(chǎng)強(qiáng)分布作為GS算法的初始條件,進(jìn)一步提高GS算法的相位恢復(fù)效果。通過光場(chǎng)仿真,在未知發(fā)送OAM光束信息的前提下,實(shí)現(xiàn)了單模OAM光束相位畸變的有效補(bǔ)償。(2)關(guān)于光場(chǎng)特征提取的SPGD算法方案。首先利用OAM模場(chǎng)的分布特性提取OAM模場(chǎng)分布的主要輪廓特征,然后根據(jù)桶中功率理論,將經(jīng)受畸變的OAM模式光能量與發(fā)送OAM模式光能量的比值作為SPGD算法的性能評(píng)價(jià)函數(shù),最后,依據(jù)OAM模場(chǎng)分布的主要輪廓特征進(jìn)行針對(duì)性的波前畸變補(bǔ)償。仿真結(jié)果顯示,在中等湍流強(qiáng)度下,該方案能實(shí)現(xiàn)OAM單模和雙模復(fù)用光場(chǎng)的湍流畸變補(bǔ)償,且單模光場(chǎng)畸變補(bǔ)償前后的性能評(píng)價(jià)函數(shù)最優(yōu)值提升了0.23。(3)關(guān)于輔光共路外差相干抗擾方案。在該方案中,將經(jīng)湍流傳輸?shù)腛AM光束作為相干檢測(cè)輸入的信號(hào)光;輔助光經(jīng)湍流傳輸后再經(jīng)相位同步匹配,隨后將其作為相干檢測(cè)輸入的本振光,以此為基礎(chǔ)構(gòu)建輔光共路外差相干檢測(cè)模型。基于此模型,研究多路OAM光束相位畸變相干相消的解復(fù)用結(jié)構(gòu),進(jìn)而建立多模OAM光傳輸與畸變補(bǔ)償?shù)膮f(xié)同通信機(jī)制。仿真結(jié)果顯示,在中等湍流情況下,通過畸變補(bǔ)償,OAM模式純度提升50%,各模式誤碼率(Bit Error Rate,BER)可維持在10~(-5)以下。最后,本文設(shè)計(jì)了兩種基于輸入光束型調(diào)整的優(yōu)化方案,分別為OAM光束束腰調(diào)整方案、高斯光束半徑調(diào)整方案,仿真證明兩者都可進(jìn)一步提升湍流畸變抑制效果。研究表明,本文所設(shè)計(jì)的輔光共路外差相干抗擾方案具備結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)和湍流適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),可為實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中OAM光束的相位畸變補(bǔ)償和減少模間串?dāng)_提供理論參考。
【學(xué)位授予單位】：中南民族大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.1
【圖文】：

取 p = 0, 即 1lpL = ，式(2.2)可簡(jiǎn)寫為：( )2 22 2 2R1R2 1 2 i( , , ) [ ] exp expπ( )! ( ) ( ) ( ) 2( )exp[i( 1) tan ( )] exp ilr r kr zu r zl w z w z w z z zzl lzθθ = + × + 0時(shí)，具有不同拓?fù)浜芍?LG 光束的螺旋波前及靜場(chǎng)光強(qiáng)分布下規(guī)律： LG 光束拓?fù)浜芍档脑龃螅涔馐霃皆絹碓酱�，且�?chǎng)強(qiáng)分布圍逐漸變大；束拓?fù)浜芍蹬c其相位分布圖中的旋臂數(shù)一一對(duì)應(yīng)，且每一天其相位翻轉(zhuǎn)了360度，這也與其螺旋波前在傳播軸線上的前進(jìn)趨束場(chǎng)強(qiáng)分布的中空特性，與其螺旋波前相位息息相關(guān)，故螺束的主要特性。

相位掩模有且對(duì)應(yīng)一個(gè)拓?fù)浜芍档腛AM光束，這樣就可以根據(jù)轉(zhuǎn)化成高斯光束所用的相位掩模來確定原來的OAM的模式數(shù)。圖2.2 叉形圖法產(chǎn)生LG光束2.2.2 光學(xué)幾何變換法該方法由Martin P J Lavery, Gregorious C G Berkhout等[59]所在團(tuán)隊(duì)提出，可將OAM光束轉(zhuǎn)化為一種具有橫向梯度的光矢，如圖2.3所示。OAM光束的光場(chǎng)分布呈現(xiàn)環(huán)形中空態(tài)，這將導(dǎo)致OAM的模式測(cè)量十分不便，當(dāng)轉(zhuǎn)化為條形矢量后，可以根據(jù)矢量位置推算出其對(duì)應(yīng)的OAM模式。圖2.3 光束螺旋相位向線性相位轉(zhuǎn)換原理(引自文獻(xiàn)[59])該方案包含兩個(gè)關(guān)鍵的模塊，一個(gè)是基于傅立葉變換的相位轉(zhuǎn)換模塊，可以設(shè)為相位轉(zhuǎn)變函數(shù)1ρ ( x , y)，完成環(huán)形光場(chǎng)向條形光場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，另一個(gè)是相位校正模塊，可以設(shè)為相位校正函數(shù)2ρ ( x , y)，用于標(biāo)記橫向光場(chǎng)的位置，從何確定對(duì)應(yīng)的OAM模式數(shù)。此外

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

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本文編號(hào)：2739104