论文部分内容阅读
随着信息技术的迅速发展,传统通信系统中依靠波长、偏振、相位等调制以及复用的技术已经无法满足人们对大容量、高速率的通信要求。理论上来讲,利用涡旋光束的轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)作为信息编码的载体进行复用通信,可以有效提升通信系统的容量以及频谱利用率,实现大容量、高速率的光通信。OAM是涡旋光束的一种特有的维度,不同的OAM模态间是彼此正交的,所以复用的OAM模式可以被很好的分离。另外,理论上可取的OAM模式数是无穷的,能组成一个无穷维的希尔伯特空间,这给信息编码提供了一个很高的自由度,大大的提升了通信系统的容量。正是由于涡旋光束的这些优良特性,使得它成为自由空间光通信(Free-Space Optical Communication,FSOC)中极具竞争力的一种光源。然而,当光束在自由空间中传输时,OAM模态容易受到湍流的扰动,使得信道间发生串扰,进而增加通信系统的误码率。因此,研究涡旋光束的OAM模式在湍流中的演化特性,对于减少大气湍流造成的信道串扰,降低系统误码率,实现大容量、高速率通信具有重要意义。本论文根据Rytov近似理论和广义惠更斯-菲涅尔原理,利用理论推导和数值计算相结合的方法,探究了扭曲高斯谢尔模光束(twist Gaussian-Schell model beams,TGSM)的OAM模式在大气湍流中的演化特性,研究了TGSM光束的OAM谱在激光雷达探测系统中的潜在应用。此外,提出并验证了一种能显著减弱湍流引起的OAM模式间串扰的方法。主要研究内容以及取得的研究成果包括以下几个方面:1、在典型的Kolmogorov弱湍流中,基于Rytov近似理论,推导出TGSM光束在接收平面OAM模式的归一化能量权重的解析表达式,并运用数值计算的方法分析了光束参数(波长、扭曲因子、相干长度、腰斑半径)和大气湍流特征参数(如湍流内尺度、大气折射率波动结构常数等)对TGSM光束OAM谱分布的影响。结果表明:在源平面处使用腰斑半径较大或相干长度较小的光束,它的OAM谱分布是较展宽的。然而,在湍流中传播时,此种光束的OAM模式分布更具鲁棒性。另外,扭曲因子越大的光束,其结构越复杂,在大气湍流中传输越能很好的维持原有的OAM模式分布。2、在第一个工作的基础上,我们探究了TGSM光束的OAM谱在激光雷达探测中的应用,并利用张量的方法将上一个工作的结果扩展到了由弱到强的湍流条件下。首先,我们构建了利用TGSM光束探测目标物体的理论模型。然后分析了目标物体的参数对TGSM光束OAM模式分布的影响,得到了目标物体的尺寸和粗糙度与接收到的TGSM光束参数的关系。这一结果在激光雷达探测系统中具有潜在的应用价值。此外,还研究了在不同的大气湍流强度下,不同波长的TGSM光束在传播过程中相干性的变化规律,结果表明:在弱湍流条件下,传输较短距离时,光束的衍射作用占主导,表现为光束相干性增加;随着传输距离逐渐增大,湍流的累积效果加强,逐渐变为主导因素,光束相干性开始减弱。对于强湍流条件,湍流作用一直占主导,光束相干性随传输距离的增加而逐渐下降。3、基于涡旋高斯光束,提出一种减小大气湍流引起的OAM模式间串扰的方法,并定量分析了此方法对OAM模式串扰的改善效果。我们在发射端使用一个会聚镜,将光束会聚到接收端,在此过程中光束被会聚,光束与湍流的作用面积减小,因此光束受湍流的扰动也减小,进而OAM模式间的串扰也减小。接着,应用数值分析的方法,分析了光束参数和会聚镜的参数对光束OAM谱的影响。结果表明:使用会聚镜后,中心OAM模式的探测概率会明显增加,相邻OAM模式间的串扰显著减小,并且镜子尺寸越大,对OAM模式间串扰的改善效果越显著。对于OAM模式数较大的光束,镜子的改善效果更加明显。此外,我们还利用随机相位屏仿真模拟了大气湍流,进一步证明了该方法的有效性。该结果在FSOC系统中有重要的应用价值。