【摘要】：傳統(tǒng)的銅線互連受限于金屬線的電容與電阻特性,當(dāng)信號(hào)頻率增加到一定程度時(shí),比特信息會(huì)相互重疊。而隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等的極速發(fā)展,銅線互連已經(jīng)無法滿足應(yīng)用需求。光互連是一種以高頻光波作為載波的信息傳輸方案,可以滿足高速大容量的帶寬需求,目前已經(jīng)承載了全球90%以上的信息傳輸,是“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略與“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)的重要基石。然而,目前熟知的光波物理維度資源(如時(shí)間、幅度、頻率/波長(zhǎng)、偏振、相位等)已經(jīng)利用到了極致,為了保證通信容量的持續(xù)提升,需要對(duì)光波的“新物理維度資源”進(jìn)行探索與開發(fā)。所幸的是,作為光波的一種橫向空間維度,軌道角動(dòng)量(OAM:Orbital Angular Momentum)模式因具有天然的正交性、理論取值無窮等特性,可以為光互連通信的持續(xù)發(fā)展提供有效可行的解決方案。本文從OAM模式的基本定義出發(fā),首先分析討論了其物理特性,并針對(duì)OAM模式的產(chǎn)生與檢測(cè)進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究。然后針對(duì)短距光互連的應(yīng)用場(chǎng)景,我們提出了三種基本的組網(wǎng)方案(復(fù)用、編碼及廣播),并分別從自由空間OAM光互連、全光纖OAM光互連以及水下空間OAM光互連多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)目前存在的關(guān)鍵問題展開了一系列的研究。本文的具體內(nèi)容如下:(1)從OAM的基本定義出發(fā),闡述了其他空間模式與OAM模式的關(guān)系,同時(shí)分析討論了其角動(dòng)量值、旋轉(zhuǎn)特性、正交特性、發(fā)散特性以及安全特性。(1)尤其對(duì)于安全特性分析,提出了一種量化的功率代價(jià)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),討論了在不同竊聽程度下OAM模式的譜擴(kuò)散及串?dāng)_特性。(2)此外,從OAM模式的基本物理特性出發(fā),提出并分析了三種基本的短距光互連組網(wǎng)方案(復(fù)用、編碼及廣播),為后文基于OAM模式多場(chǎng)景短距光互連應(yīng)用研究打下基礎(chǔ)。(2)對(duì)于OAM模式的產(chǎn)生與檢測(cè),從實(shí)現(xiàn)原理的角度分為基于模式轉(zhuǎn)換與基于光場(chǎng)相位調(diào)控兩個(gè)大類進(jìn)行分析與闡述。(1)通過反射式超表面器件的設(shè)計(jì)與制備,在片上2μm波段實(shí)現(xiàn)了OAM模式及強(qiáng)度螺旋模式的產(chǎn)生,拓展光波橫向模式的應(yīng)用波段范圍。得益于器件自干涉效應(yīng),所產(chǎn)生的螺旋強(qiáng)度模式具有很高的魯棒性,對(duì)環(huán)境噪聲不敏感,這種特殊的結(jié)構(gòu)光在光學(xué)成像、檢測(cè)上有應(yīng)用潛能。(2)通過對(duì)光纖端面的加工、刻蝕,成功制備了超表面光纖樣品,從而在光纖內(nèi)產(chǎn)生OAM模式。利用傅里葉變換方法對(duì)產(chǎn)生的OAM模式進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明得益于超表面的寬帶特性,該方案可以實(shí)現(xiàn)1480-1640 nm超寬帶光纖內(nèi)OAM模式的產(chǎn)生,且相位純度大于93%。(3)實(shí)驗(yàn)研究了自由空間OAM模式短距光互連的應(yīng)用。(1)驗(yàn)證了戶外260米OAM模式復(fù)用、廣播、編碼短距光互連鏈路,并對(duì)鏈路安全特性進(jìn)行了分析討論。其中,復(fù)用鏈路實(shí)現(xiàn)了兩路OAM信道的復(fù)用,總通信容量達(dá)到80 Gbit/s;廣播鏈路實(shí)現(xiàn)了1路到9路OAM信道的廣播,并對(duì)廣播信道的功率分配進(jìn)行了靈活調(diào)控;編碼鏈路利用時(shí)域與空間域的映射實(shí)現(xiàn)了25 GHz的超快編碼信息傳輸。(2)實(shí)驗(yàn)研究了具有偏振奇點(diǎn)的矢量模式編碼短距光互連鏈路,實(shí)現(xiàn)了4 bits/碼元的信息傳輸,并進(jìn)行了誤碼率測(cè)試及圖像傳輸。(3)提出了陣列偏振結(jié)構(gòu)光編碼短距光互連鏈路,分別利用陣列類矢量模式及超高密度偏振模式實(shí)現(xiàn)了96 bits/碼元和1024 bits/碼元的編碼信息容量,并進(jìn)行了圖像、視頻信息的傳輸,同時(shí)對(duì)大氣湍流的影響進(jìn)行了研究分析。(4)實(shí)驗(yàn)研究了全光纖OAM模式復(fù)用短距光互連的應(yīng)用。(1)介紹了用于OAM模式產(chǎn)生/檢測(cè)、復(fù)用/解復(fù)用的全光纖模式選擇器的原理及制備過程。(2)針對(duì)數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景應(yīng)用,利用商用SFP+(Small-Form Factor-Pluggable+)光模塊和所制備模式選擇耦合器實(shí)現(xiàn)了2.6公里多模光纖單向OAM復(fù)用短距光互連及2公里少模光纖全雙工OAM復(fù)用短距光互連鏈路,并對(duì)其傳輸功率矩陣及串?dāng)_進(jìn)行了測(cè)量,同時(shí)評(píng)估了其誤碼率性能。(5)實(shí)驗(yàn)研究了水下空間OAM模式短距光互連的應(yīng)用。(1)評(píng)估了水下氣泡及微小障礙物對(duì)于光波不同空間模式(高斯、OAM、Bessel)傳輸?shù)挠绊?結(jié)果表明具有無衍射特性和自恢復(fù)特性的Bessel模式表現(xiàn)最好。(2)實(shí)驗(yàn)研究了水下OAM模式廣播短距無線光互連鏈路,實(shí)現(xiàn)了1路到4路OAM信道的廣播,豐富了水下短距光互連的應(yīng)用范圍。(3)考慮到水下環(huán)境存在一些無法移除的巨大障礙物,利用空-水界面全內(nèi)反射特性實(shí)現(xiàn)了非視距OAM模式短距光互連鏈路,并提出了一種自適應(yīng)反饋系統(tǒng)對(duì)光束的飄移進(jìn)行補(bǔ)償,增強(qiáng)光互連鏈路的穩(wěn)定性。(4)在此前的研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制備了一套基于OAM模式短距光互連通信原理樣機(jī),并進(jìn)行了測(cè)試。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.1
【圖文】：

皮書[11]中預(yù)測(cè)從2017年到2022年，全球IP流量將增加近三倍左右。如圖1-1所示，到了2022年，全球每月IP流量預(yù)計(jì)將從2017年的122 EB增至396 EB （EB: Exabytes），其CAGR高達(dá)26%。這一數(shù)值比2016年公布的趨勢(shì)預(yù)測(cè)白皮書中的24%略高，這主要是因?yàn)?G時(shí)代的來臨將會(huì)帶來了更大比例的移動(dòng)流量。因此，為了應(yīng)對(duì)快速增長(zhǎng)的通信容量需求，我們急需找到一種新的光互連傳輸思路來保證系統(tǒng)容量的持續(xù)提高。圖 1-1 思科公司對(duì)2017年到2022年全球每月IP流量的預(yù)測(cè)[11]。事實(shí)上，自J.W.Goodman首次提出光互連的概念以來

事實(shí)上，自J.W.Goodman首次提出光互連的概念以來，一系列關(guān)鍵的通信技術(shù)得到了顯著的推動(dòng)和發(fā)展。如圖1-2所示以光纖光互連為例，單根光纖的通信容量始終保持著高速的發(fā)展趨勢(shì)，每一次的技術(shù)革新都會(huì)帶來容量的大規(guī)模提升[12]。這些關(guān)鍵的通信技術(shù)主要包括各種高級(jí)調(diào)制格式、各種數(shù)字信號(hào)處理算法和各種信號(hào)復(fù)用技術(shù)。例如，高級(jí)調(diào)制技術(shù)有：脈沖幅度調(diào)制（PAM）、無載波幅度和相位調(diào)制（CAP）、離散多音頻信號(hào)（DMT）和子載波調(diào)制（SCM）等；數(shù)字信號(hào)處理算法有：多進(jìn)多出（MIMO）、盲均衡橫模算法（CMA）等；信號(hào)復(fù)用技術(shù)有：時(shí)分復(fù)用（TDM）、正交頻分復(fù)用（OFDM）、波分復(fù)用（WDM）及偏振復(fù)用（PDM）等。通過有效地綜合利用這些關(guān)鍵技術(shù)，目前在光互連領(lǐng)域已經(jīng)取得了一系列引人注目的研究成果[13-15]。然而這些關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于光載波的各個(gè)維度資源諸如頻率/波長(zhǎng)、幅度/相位、時(shí)間等的

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本文編號(hào)：2734579