基于光子轨道角动量的无线光通信技术研究

发布时间：2019-11-23 13:44

【摘要】：光子轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)具有本征态数量无限、多维量子纠缠、不同本征态之间相互正交等优良特性,将其用于信息调制能获得新的态域自由度,从而大幅提升通信系统的容量。基于OAM的无线光通信是一种极具潜力的通信方式,本文对其基本原理、关键技术和系统设计进行了研究。首先,论文分析了OAM无线光通信的国内外研究现状,阐述了OAM承载信息和OAM复用/解复用的基本原理。其次,论文研究了OAM在大气湍流中的传输特性。通过在光传输路径上添加随机相位屏,数值模拟了OAM光束的传输。模拟结果表明,大气湍流对OAM光束产生畸变,破坏不同OAM态之间的正交性。进一步,提出了OAM无线光通信系统在大气湍流下的传输信道模型,仿真分析和理论推导发现大气湍流引起的自身OAM态功率衰减随大气湍流增强和拓扑荷绝对值的增大而越发严重,不同OAM态之间的串扰随大气湍流增强而变大,随OAM态的间隔增大而减小。再次,论文研究了OAM无线光通信的调制解调技术。在系统采用强度调制时,提出了一种超立方体结构的发送信号星座图设计方案。在系统采用强度、相位联合调制时,单个OAM态可以加载二维调制信息,通过对调制信号的星座图做优化设计进一步提升了系统性能。此外,提出了一种在态域和时域均引入相关性的态时编码方式,仿真表明相比传统编码方式,态时编码能够带来显著的多态分集增益。最后,论文根据实际应用环境和性能指标要求,设计了采用强度调制/直接检测和采用强度、相位联合调制/相干检测的两套OAM无线光通信系统。根据最大化平均信干噪比准则,设计了一种最优OAM态的选择方案。研究了LDPC码在OAM无线光通信中的应用,仿真结果表明LDPC码可在一定程度上减小大气湍流带来的性能损失。
【图文】：

图 1.1 Gibson 等设计的 OAM 无线光通信系统的系统中每个符号周期内只发送一种OAM态种能够同时传输多个OAM态的系统，用每个O”或“0”，从而每个OAM态能够承载1比特信息齐晓庆[22]等人都提出了一种使用静态全息图的态光学系统以产生不同模态的OAM光束，对在混合OAM态的加载。M态之间的正交性，2011年Djordjevic提出利用

16QAM等调制方式）/相干检测的OAM多重复用无线光通信系统，如图1.2所示，实现了一公里内32路携带不同信息的OAM光束的同时传输，达到了2.56Tb/s的信息传输速率和95.7bit/s/Hz的频带利用率。图中A为16QAM调制模块，B为DQPSK调制模块，C为复用模块，D为解复用模块，E为相干检测模块，，F为直接检测模块。在这套系统中，4路高斯光束经空间光调制器变成4路不同模态的OAM光束，这4路原始的OAM光束经过如下三重复用最终变成32路OAM光束：（1）“正负”复用，即将原始的每束OAM光通过分束镜等分为两束，其中一路通过反射镜将其变成拓扑荷恰好取反的OAM光束，这样获得了8路不同的OAM光束；（2）极化复用，即将每束OAM光再次等分，等分后的两路光束采取不同的极化方式，这样获得了16路不同的OAM光束；（3）半径复用，即将每束OAM光进行第三次等分，等分后的两路光束通过扩束镜扩束成半径不同的光束，这样将极化复用后的16路OAM光束分成半径级别不同的两组光束，最终共获得32路可以区分的OAM光束。在这32路OAM光束上各自采用16QAM等调制方式加载不同的信息，可以实现32路二维调制信息的同时传输，从而大幅提高信息传输速率。这套系统的成功研制显示了OAM无线光通信的广阔前景。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.1

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本文编号：2564981