基于轨道角动量模式多场景短距光互连的应用基础研究

发布时间：2020-06-30 00:26

【摘要】：传统的铜线互连受限于金属线的电容与电阻特性,当信号频率增加到一定程度时,比特信息会相互重叠。而随着大数据、云计算、物联网、工业互联网等的极速发展,铜线互连已经无法满足应用需求。光互连是一种以高频光波作为载波的信息传输方案,可以满足高速大容量的带宽需求,目前已经承载了全球90%以上的信息传输,是“网络强国”战略与“宽带中国”战略实现的重要基石。然而,目前熟知的光波物理维度资源(如时间、幅度、频率/波长、偏振、相位等)已经利用到了极致,为了保证通信容量的持续提升,需要对光波的“新物理维度资源”进行探索与开发。所幸的是,作为光波的一种横向空间维度,轨道角动量(OAM:Orbital Angular Momentum)模式因具有天然的正交性、理论取值无穷等特性,可以为光互连通信的持续发展提供有效可行的解决方案。本文从OAM模式的基本定义出发,首先分析讨论了其物理特性,并针对OAM模式的产生与检测进行了理论及实验研究。然后针对短距光互连的应用场景,我们提出了三种基本的组网方案(复用、编码及广播),并分别从自由空间OAM光互连、全光纤OAM光互连以及水下空间OAM光互连多个应用场景对目前存在的关键问题展开了一系列的研究。本文的具体内容如下:(1)从OAM的基本定义出发,阐述了其他空间模式与OAM模式的关系,同时分析讨论了其角动量值、旋转特性、正交特性、发散特性以及安全特性。(1)尤其对于安全特性分析,提出了一种量化的功率代价作为评判标准,讨论了在不同窃听程度下OAM模式的谱扩散及串扰特性。(2)此外,从OAM模式的基本物理特性出发,提出并分析了三种基本的短距光互连组网方案(复用、编码及广播),为后文基于OAM模式多场景短距光互连应用研究打下基础。(2)对于OAM模式的产生与检测,从实现原理的角度分为基于模式转换与基于光场相位调控两个大类进行分析与阐述。(1)通过反射式超表面器件的设计与制备,在片上2μm波段实现了OAM模式及强度螺旋模式的产生,拓展光波横向模式的应用波段范围。得益于器件自干涉效应,所产生的螺旋强度模式具有很高的鲁棒性,对环境噪声不敏感,这种特殊的结构光在光学成像、检测上有应用潜能。(2)通过对光纤端面的加工、刻蚀,成功制备了超表面光纤样品,从而在光纤内产生OAM模式。利用傅里叶变换方法对产生的OAM模式进行检测,结果表明得益于超表面的宽带特性,该方案可以实现1480-1640 nm超宽带光纤内OAM模式的产生,且相位纯度大于93%。(3)实验研究了自由空间OAM模式短距光互连的应用。(1)验证了户外260米OAM模式复用、广播、编码短距光互连链路,并对链路安全特性进行了分析讨论。其中,复用链路实现了两路OAM信道的复用,总通信容量达到80 Gbit/s;广播链路实现了1路到9路OAM信道的广播,并对广播信道的功率分配进行了灵活调控;编码链路利用时域与空间域的映射实现了25 GHz的超快编码信息传输。(2)实验研究了具有偏振奇点的矢量模式编码短距光互连链路,实现了4 bits/码元的信息传输,并进行了误码率测试及图像传输。(3)提出了阵列偏振结构光编码短距光互连链路,分别利用阵列类矢量模式及超高密度偏振模式实现了96 bits/码元和1024 bits/码元的编码信息容量,并进行了图像、视频信息的传输,同时对大气湍流的影响进行了研究分析。(4)实验研究了全光纤OAM模式复用短距光互连的应用。(1)介绍了用于OAM模式产生/检测、复用/解复用的全光纤模式选择器的原理及制备过程。(2)针对数据中心场景应用,利用商用SFP+(Small-Form Factor-Pluggable+)光模块和所制备模式选择耦合器实现了2.6公里多模光纤单向OAM复用短距光互连及2公里少模光纤全双工OAM复用短距光互连链路,并对其传输功率矩阵及串扰进行了测量,同时评估了其误码率性能。(5)实验研究了水下空间OAM模式短距光互连的应用。(1)评估了水下气泡及微小障碍物对于光波不同空间模式(高斯、OAM、Bessel)传输的影响,结果表明具有无衍射特性和自恢复特性的Bessel模式表现最好。(2)实验研究了水下OAM模式广播短距无线光互连链路,实现了1路到4路OAM信道的广播,丰富了水下短距光互连的应用范围。(3)考虑到水下环境存在一些无法移除的巨大障碍物,利用空-水界面全内反射特性实现了非视距OAM模式短距光互连链路,并提出了一种自适应反馈系统对光束的飘移进行补偿,增强光互连链路的稳定性。(4)在此前的研究基础上,设计并制备了一套基于OAM模式短距光互连通信原理样机,并进行了测试。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1
【图文】：

IP流量,思科公司,全球

皮书[11]中预测从2017年到2022年，全球IP流量将增加近三倍左右。如图1-1所示，到了2022年，全球每月IP流量预计将从2017年的122 EB增至396 EB （EB: Exabytes），其CAGR高达26%。这一数值比2016年公布的趋势预测白皮书中的24%略高，这主要是因为5G时代的来临将会带来了更大比例的移动流量。因此，为了应对快速增长的通信容量需求，我们急需找到一种新的光互连传输思路来保证系统容量的持续提高。图 1-1 思科公司对2017年到2022年全球每月IP流量的预测[11]。事实上，自J.W.Goodman首次提出光互连的概念以来

单根,增长趋势,容量

事实上，自J.W.Goodman首次提出光互连的概念以来，一系列关键的通信技术得到了显著的推动和发展。如图1-2所示以光纤光互连为例，单根光纤的通信容量始终保持着高速的发展趋势，每一次的技术革新都会带来容量的大规模提升[12]。这些关键的通信技术主要包括各种高级调制格式、各种数字信号处理算法和各种信号复用技术。例如，高级调制技术有：脉冲幅度调制（PAM）、无载波幅度和相位调制（CAP）、离散多音频信号（DMT）和子载波调制（SCM）等；数字信号处理算法有：多进多出（MIMO）、盲均衡横模算法（CMA）等；信号复用技术有：时分复用（TDM）、正交频分复用（OFDM）、波分复用（WDM）及偏振复用（PDM）等。通过有效地综合利用这些关键技术，目前在光互连领域已经取得了一系列引人注目的研究成果[13-15]。然而这些关键技术对于光载波的各个维度资源诸如频率/波长、幅度/相位、时间等的

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