【摘要】：光波的基本維度資源包括幅度、相位、偏振、時間、波長/頻率和橫向空間分布。目前,對光波的偏振、時間、幅度/相位、波長/頻率等資源的利用已經(jīng)接近極限。除了這些傳統(tǒng)的光波維度外,光波還具有橫向空間維度。利用空間維度,增加空間中并行信道個數(shù)可有效提升傳輸系統(tǒng)的通信容量,突破現(xiàn)有技術(shù)容量極限,實(shí)現(xiàn)光通信的可持續(xù)擴(kuò)容。具有特殊的橫向空間分布的光束又稱為特種光束,由于其特殊的物理性質(zhì),已經(jīng)在光學(xué)領(lǐng)域吸引了廣泛的關(guān)注。目前,已經(jīng)有多種類型的特種光束在自由空間及光纖中被研究報(bào)道。在光通信中,特種光束不僅可以用于模式復(fù)用以提升通信容量,其獨(dú)特的性質(zhì)也可以讓通信系統(tǒng)變得更為靈活。本文在特種光束的產(chǎn)生及在光通信中的應(yīng)用方面開展了一系列理論和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究,具體內(nèi)容如下:(1)理論和實(shí)驗(yàn)研究了自由空間中特種光束的產(chǎn)生及在自由空間光通信中的應(yīng)用。(1)實(shí)驗(yàn)研究了利用兩個純相位型的空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對空間光場振幅和相位的同時調(diào)控。利用這種方法,在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了各種類型的特種光束如貝塞爾光束,拉蓋爾高斯光束,多渦旋光束以及具有特殊強(qiáng)度分布的光束。(2)理論研究了單一相位元件產(chǎn)生多個共軸傳輸?shù)臏u旋光束。通過利用基于模式搜索算法的相位迭代算法,在仿真中實(shí)現(xiàn)了多達(dá)100路隨機(jī)間隔分布和50個等間隔分布的渦旋光束的同時產(chǎn)生,并且可以通過算法調(diào)節(jié)每個產(chǎn)生的渦旋光束的相對功率。(3)通過使用研究的基于模式搜索算法的相位迭代算法,在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了10路貝塞爾光束進(jìn)行廣播通信。同時,在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了貝塞爾光束的自恢復(fù)特性。在路徑中有障礙物的情況下,貝塞爾光束可恢復(fù)原始場分布成功通信,實(shí)驗(yàn)測得誤碼率小于1e-3。(4)實(shí)驗(yàn)研究了彎曲光束的產(chǎn)生及其在通信中的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)中成功演示了自由空間任意彎曲光束通信。此外,還在實(shí)驗(yàn)中展示了自由空間彎曲光束通信的多種功能,包括躲避障礙物傳輸、自恢復(fù)傳輸、自斷裂軌跡傳輸和多用戶信息傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面彎曲光束可使自由空間光通信更為靈活,穩(wěn)定和多功能。(2)實(shí)驗(yàn)研究了傳統(tǒng)少模和多模光纖中特種光束的通信。(1)研究了少模光纖中線偏振(LP:linearly polarized)模式和渦旋光模式的傳輸性能,在實(shí)驗(yàn)中利用LP模式和渦旋光模式在1.1 km少模光纖中進(jìn)行模式編碼通信,并成功實(shí)現(xiàn)圖像傳輸。(2)為了提升模式編碼速率,研究了利用強(qiáng)度調(diào)制到模式編碼調(diào)制的映射來實(shí)現(xiàn)高速模式編碼,并且在2.6 km傳統(tǒng)OM3多模光纖中實(shí)現(xiàn)了10 Gbit/s的模式編碼傳輸。(3)分析了傳統(tǒng)多模光纖中渦旋光束特性,進(jìn)行了多模光纖中渦旋光束信息傳輸研究,成功在傳統(tǒng)多模光纖中傳輸了4個不同的渦旋光束OAM(orbital angular momentum)模式(OAM_(0,1),OAM_(+1,1),OAM_(+2,1),和OAM_(+3,1)),并且進(jìn)行渦旋光束復(fù)用信息傳輸,傳輸速率達(dá)到40 Gbit/s。(4)通過結(jié)合傳統(tǒng)多模光纖和傳統(tǒng)少模光纖,實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)光纖網(wǎng)絡(luò)的渦旋光束復(fù)用傳輸,傳輸速率達(dá)到40 Gbit/s。(3)實(shí)驗(yàn)研究了新型橢圓芯和環(huán)形光纖中的特種光束通信。(1)研究了低模式串?dāng)_橢圓芯少模光纖,此光纖支持兩個LP特種光束模式,且兩模式間串?dāng)_小于-18 dB。同時,實(shí)現(xiàn)了1.1 km光纖中LP模式特種光束20 Gbit/s的超快編碼傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過兩路模式編碼傳輸信號相減可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)傳輸性能。(2)研究了具有特殊漸變折射率分布環(huán)形OAM光纖,此環(huán)形光纖支持5個渦旋光束模群,且模群間有效折射率較大,模式串?dāng)_較小。在實(shí)驗(yàn)中研究了18 km高階渦旋光束的低串?dāng)_模式復(fù)用傳輸。結(jié)合波分復(fù)用技術(shù),實(shí)現(xiàn)了8.4 Tbit/s的高速信息傳輸。(3)為了進(jìn)一步為長距離渦旋光束光纖通信做準(zhǔn)備,提出并實(shí)驗(yàn)論證了長距離環(huán)形光纖中的渦旋光束分布式拉曼放大傳輸系統(tǒng)。在1530 nm到1565 nm的范圍內(nèi),兩個OAM模式的最大開關(guān)增益為3.5 dB,不同模式增益差在0.3 dB以內(nèi)。在所有多路OAM模式復(fù)用通道中,具有拉曼增益的光信噪比相比無拉曼增益高1.2 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,長距離OAM環(huán)形光纖中的分布式拉曼放大傳輸系統(tǒng)具有良好性能,對長距離OAM模式復(fù)用通信提供了一個潛在的解決方式。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1
【圖文】：

[3]。圖1-1 光波基本資源維度從上個世紀(jì)70年代開始，隨著低損耗石英光纖和半導(dǎo)體激光器的成功研制，光通信步入了一個飛速發(fā)展的時期。在過去近50年里，在一系列光通信技術(shù)的開發(fā)推動下，

明基于渦旋光束的自由空間SDM系統(tǒng)具有很大的開發(fā)潛力。在少模及多模光纖中，不同階數(shù)的LP模式是相互正交的，通過在同一根光纖中復(fù)用多個LP模式同時傳輸能提升通信容量，如圖1-2（b）所示。光纖支持的LP模式越多，通信系統(tǒng)容量提升的潛力就越大[40-43]。圖1-2 （a）基于渦旋光束自由空間模式復(fù)用通信示意圖；（b）基于LP模式光纖中模式復(fù)用通信示意圖為了將光波的橫向空間維度利用起來，需要控制光的橫向空間振幅相位來便捷高效產(chǎn)生各種特種光束以便進(jìn)行復(fù)用傳輸。因此，靈活自由的特種光束的產(chǎn)生技術(shù)是模

trapping），光鑷（optical tweezer），光學(xué)扳手（optical wrench）等應(yīng)用[57-61]，如圖1-3（a）[57]。通過利用Bessel光束中心光強(qiáng)集中，且具有無衍射自恢復(fù)特性，可用于超分辨成像，如圖1-3（b）[62]。利用Airy光束的彎曲特性，可以將光轉(zhuǎn)移到非直線傳輸位置，實(shí)現(xiàn)光學(xué)路由，如圖1-3（c）[52]。圖1-3 （a）利用渦旋光束實(shí)現(xiàn)粒子操控應(yīng)用[57]；（b）利用貝塞爾光束實(shí)現(xiàn)超分辨成像[62]；（c）利用艾里光束實(shí)現(xiàn)光學(xué)路由[52]

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