本文關(guān)鍵詞：光子偏振qubits和OAM的自由空間傳輸特性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：光子可以攜帶兩種角動(dòng)量：自旋角動(dòng)量(spin angular momentum, SAM);和軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum, OAM)。光子的兩個(gè)SAM分別對應(yīng)光的左旋圓偏振和右旋圓偏振,描繪了一個(gè)二維Hilbert空間,因此可以用作一個(gè)量子比特(qubit)的基。基于偏振qubits的自由空間量子光通信理論上能夠提供絕對的安全性,進(jìn)一步通過衛(wèi)星可以構(gòu)建全球量子光通信網(wǎng)絡(luò),因而具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而OAM與光場的方位角相位相關(guān)聯(lián),它的本征模式含有一個(gè)螺旋的相位因子exp(i(?)θ)。由于l可以取任意的整數(shù),因此存在無窮多個(gè)OAM的本征模式。這些模式形成了一個(gè)無窮維的Hilbert空間,從而能夠用于編碼更多的信息,顯著的增加通信系統(tǒng)的信息容量。另一方面,相對于傳統(tǒng)的光纖信道,OAM模式能夠在自由空間信道更好的傳輸,因此基于OAM的自由空間光通信已經(jīng)吸引了大量的關(guān)注,是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。自由空間量子光通信采用偏振編碼方案,也就是利用光子的正交偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)qubits。因此單光子在自由空間傳輸過程中的偏振保持是一個(gè)至關(guān)重要的問題。OAM模式在自由空間傳輸?shù)倪^程中,大氣湍流效應(yīng)引起模式的波前相位畸變,導(dǎo)致OAM模式信道間的串話,降低了基于OAM的自由空間光通信系統(tǒng)性能。本論文圍繞光子偏振qubits和OAM模式在自由空間中的傳輸特性開展了系統(tǒng)的研究,主要的創(chuàng)新性成果如下：(1).我們提出了一個(gè)廣義的星地量子光通信系統(tǒng)模型。該模型中衛(wèi)星軌道的離心率可以取區(qū)間[0,1)內(nèi)的任何一個(gè)值。此外,模型采用地心坐標(biāo)系作為參考系,能夠直接應(yīng)用美國宇航局兩行式衛(wèi)星參數(shù)。因而我們的模型非常適合于計(jì)算現(xiàn)有的或?qū)戆l(fā)射的任何一顆衛(wèi)星與地面接收站之間的相對運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的光子qubits的偏振基旋轉(zhuǎn),能夠?yàn)椴贿h(yuǎn)將來的工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)。(2).我們首次理論上研究了大氣粒子的散射效應(yīng)對光子qubits的影響。我們提出了一種新的矢量Monte-Carlo方法,該方法利用透過率成功的解決了在非均勻的大氣介質(zhì)中連續(xù)的兩次散射事件之間的光子自由程計(jì)算。顯示了在上鏈路和下鏈路中,偏振qubits都保持的很好,這與以前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。然而,接收到的單光子數(shù)量不到發(fā)射的單光子數(shù)量的一半。(3).我們首次研究了遵循最現(xiàn)實(shí)的譜模型的大氣湍流對基于OAM的自由空間光通信系統(tǒng)的影響,并評估了在這種大氣湍流的影響下采用不連續(xù)的OAM模式編碼方式后系統(tǒng)的信道容量。顯示了不連續(xù)的OAM模式編碼方式能夠有效的降低OAM模式信道間的串話,使得系統(tǒng)信道容量逼近理想曲線。(4).我們具體的演示了強(qiáng)大氣湍流條件下一個(gè)恰當(dāng)設(shè)計(jì)的閉環(huán)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)模型對OAM模式波前相位畸變的實(shí)時(shí)矯正過程,顯示了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用能夠顯著提升系統(tǒng)的信道容量。此外我們考慮了大氣湍流隨風(fēng)而動(dòng)態(tài)演化,評估了在這種情況下?lián)碛凶赃m應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償?shù)幕贠AM自由空間光通信系統(tǒng)的瞬時(shí)特性。顯示了閉環(huán)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)矯正不僅能夠有效抑制系統(tǒng)的Strehl ratio和信道容量的波動(dòng),而且顯著增加了Strehl ratio的值和極大提升了系統(tǒng)信道容量。
【關(guān)鍵詞】：自由空間光通信 偏振qubits 大氣散射 軌道角動(dòng)量 大氣湍流
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 引言13-33
• 1.1 光子偏振qubits和OAM模式13-19
• 1.2 研究進(jìn)展19-21
• 1.3 論文結(jié)構(gòu)安排21-22
• 參考文獻(xiàn)22-33
• 第二章 星地鏈路光子偏振qubits的偏振基旋轉(zhuǎn)33-51
• 2.1 自由空間量子光通信33-37
• 2.1.1 基本原理34-35
• 2.1.2 光偏振態(tài)的數(shù)學(xué)描述及傳輸理論35-37
• 2.2 星地量子光通信廣義模型37-44
• 2.2.1 參考坐標(biāo)系39-40
• 2.2.2 衛(wèi)星的位置坐標(biāo)40-42
• 2.2.3 入射光的方向42-43
• 2.2.4 最終單光子偏振態(tài)的表達(dá)式43-44
• 2.3 結(jié)果與討論44-48
• 2.3.1 類圓形軌道模擬44-46
• 2.3.2 橢圓軌道模擬46-47
• 2.3.3 結(jié)果討論47-48
• 2.4 結(jié)論48
• 參考文獻(xiàn)48-51
• 第三章 衛(wèi)星量子光通信的偏振qubits大氣散射51-67
• 3.1 偏振qubits的大氣散射52-54
• 3.1.1 單次散射52-53
• 3.1.2 多次散射53-54
• 3.2 數(shù)值計(jì)算方法54-59
• 3.2.1 基本的偏振光Monte-Carlo方法55
• 3.2.2 透過率方法55-58
• 3.2.3 大氣散射類型58
• 3.2.4 光子的吸收和邊界逃逸58-59
• 3.3 結(jié)果和討論59-63
• 3.3.1 后向散射Mueller矩陣59-60
• 3.3.2 下鏈路和上鏈路60-63
• 3.4 結(jié)論63
• 參考文獻(xiàn)63-67
• 第四章 大氣湍流效應(yīng)對基于OAM自由空間光通信的影響67-93
• 4.1 LG光束產(chǎn)生和探測68-74
• 4.1.1 LG光束的產(chǎn)生方法70-73
• 4.1.2 LG光束的探測方法73-74
• 4.2 大氣湍流理論74-81
• 4.2.1 大氣湍流的形成74-75
• 4.2.2 Kolmogorov湍流理論75-77
• 4.2.3 大氣湍流的幾種譜描述77-79
• 4.2.4 光的波前相位變化與折射率波動(dòng)的關(guān)系79-81
• 4.3 大氣湍流引起OAM模式間串話81-84
• 4.4 不連續(xù)的OAM模式編碼84-86
• 4.5 基于OAM的自由空間光通信系統(tǒng)信道容量的評估86-88
• 參考文獻(xiàn)88-93
• 第五章 采用自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償?shù)幕贠AM自由空間光通信93-117
• 5.1 擁有自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償?shù)幕贠AM的自由空間光通信系統(tǒng)94
• 5.2 湍流大氣信道的建模實(shí)現(xiàn)94-97
• 5.2.1 Monte-Carlo相位屏方法95-97
• 5.2.2 Monte-Carlo相位屏的驗(yàn)證97
• 5.3 閉環(huán)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)97-108
• 5.3.1 自適應(yīng)光學(xué)的基本原理97-100
• 5.3.2 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成100-108
• 5.4 波前畸變的實(shí)時(shí)矯正108-111
• 5.5 信道容量的評估111-113
• 5.6 動(dòng)態(tài)演化的大氣湍流情況下基于OAM的自由空間光通信系統(tǒng)的瞬時(shí)特性113-114
• 5.7 結(jié)論114-115
• 參考文獻(xiàn)115-117
• 第六章 總結(jié)和展望117-121
• 6.1 論文總結(jié)117-118
• 6.2 未來研究展望118-120
• 參考文獻(xiàn)120-121
• 致謝121-123
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄123-124
• (一) 第一作者論文123-124
• (二) 其他作者論文124

【共引文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 魏義永;簡并微擾論的二級近似公式[J];安徽教育學(xué)院學(xué)報(bào);2003年03期

2 魏健文;多電子原子Thomas修正探討[J];安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年03期

3 陳冠軍,黃時(shí)中;Wigner-Eckart定理的簡單證明[J];安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年04期

4 張杰;MATLAB在量子力學(xué)中的應(yīng)用[J];安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年04期

5 馮紅寧;高首山;;量子力學(xué)三種繪景相互變換的幺正算符統(tǒng)一公式[J];遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào);2011年02期

6 張家鑫;許麗萍;溫廷敦;王忠斌;;單軸壓應(yīng)變量子阱紅外探測器吸收波長的研究[J];半導(dǎo)體技術(shù);2011年02期

7 肖創(chuàng)柏;甄麗剛;何燕超;;基于紋理的H．264/AVC幀內(nèi)預(yù)測塊選擇快速算法[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2008年03期

8 劉建軍;翟利學(xué);;有限差分法解能量本征方程[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2008年03期

9 趙亮,傅瑋,王小東,盧志恒;逐個(gè)電子雙柱衍射和勢壘貫穿的Monte Carlo計(jì)算機(jī)模擬[J];北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2001年03期

10 韓亦文,劉文彪;用旋量零標(biāo)架方法導(dǎo)出帶電Schwarzschild黑洞時(shí)空中Dirac粒子的能級[J];北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年04期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 唐濤;鋰基陶瓷基態(tài)與缺陷性質(zhì)的第一原理計(jì)算及硅酸鋰中氘行為的實(shí)驗(yàn)研究[D];中國工程物理研究院;2010年

2 魏洪源;原子分子在δ-Pu上的吸附、離解與擴(kuò)散過程研究[D];中國工程物理研究院;2010年

3 龔少華;半導(dǎo)體量子限制結(jié)構(gòu)的光學(xué)瞬態(tài)相干效應(yīng)研究[D];武漢大學(xué);2009年

4 張映玉;絕熱量子搜索算法研究[D];華中科技大學(xué);2011年

5 楊潔;開放量子系統(tǒng)的建模及其控制[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

6 程維文;低維自旋鏈中的糾纏、退相干及量子相變[D];南京大學(xué);2011年

7 王瓊;量子糾纏的產(chǎn)生、演化及其非局域操控[D];湖南師范大學(xué);2011年

8 陳偉;群體智能算法及其在基因表達(dá)數(shù)據(jù)聚類中的應(yīng)用[D];江南大學(xué);2011年

9 黃庠永;超細(xì)煤粉O_2/CO_2燃燒及NOx異相還原機(jī)理[D];上海交通大學(xué);2011年

10 殷澄;分析轉(zhuǎn)移矩陣?yán)碚撛谝痪S波動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用[D];上海交通大學(xué);2011年

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本文編號：358216