大气湍流下自由空间光通信中断概率分析

自由空间光通信在未来全球通信网中具有潜在的应用价值,然而,自由空间光通信易受大气湍流影响,致使系统性能严重下降.根据大气湍流实际情况,把大气信道分为弱湍流下的对数正态分布模型和中强湍流下gamma-gamma分布模型.研究了自由空间光通信中一个重要的性能指标-中断概率,基于信道模型利用Merjer G函数简化了该概率公式.研究了大气湍流和其他参数(如传输距离、波长)对中断概率的影响,并从弱湍流到强湍流仿真了湍流对通信中断概率的影响.数值模拟表明:随着大气湍流强度以及门限值的增大,自由光通信系统的中断概率相应增大.为设计自由空间光通信系统提供了参考.     

湍流大气中高稳定性全庞加莱球光束模式选择（特邀）

作为新型结构光束的一类,全庞加莱球光束因其横截面上自旋角动量和轨道角动量发生耦合,近年来在自由空间光通信领域内受到广泛关注。然而,传输信道中的大气湍流将产生诸如光束扩展、漂移、光强闪烁等严重影响,进而限制光通信系统性能。结合随机相位屏,对具有“C”型偏振奇点的全庞加莱球光束、“V”型偏振奇点的柱矢量光束和均匀偏振的标量涡旋光束在湍流大气中的传播进行大量的数值模拟。归一化光强相关系数和模式纯度被用于研究杂合庞加莱球表面不同位置处表征的全庞加莱球的稳定性。结果表明,相较于具有相似偏振拓扑荷和光强分布的柱矢量光束以及标量涡旋光束而言,坐标位于南半球的全庞加莱球光束在弱湍流和中湍流(r₀=0.5 m, 0.125 m)下具有较高稳定性。而在强湍流下(r₀=0.056 m),优势区域缩小至2σ∈[?5π/32, 0](纬度坐标)。上述结果将为自由空间远距离通信中传输介质的选取提供重要依据并进一步促进通信质量的提升。     

斜程湍流大气光通信信道的单光子轨道角动量

研究了基于单光子轨道角动量技术的量子光通信系统的大气湍流效应,动用Rytov近似和修正von Kamm折射率起伏谱,建立了单光子轨道角动量斜程湍流大气通信信道中轨道角动量l的测量概率理论模型。本文同时给出了量子信道的单光子轨道角动量平均值l=〈l〉的计算关系。     

部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中的模态强度

为了探究部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中模态强度的演化规律,基于广义的Huygens-Fresnel原理和Rytov近似理论,推导了部分相干Airy涡旋光束的轨道角动量模态概率的解析式。结合MATLAB的数值模拟,研究了部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱湍流大气中传输时湍流参量和波束参量与涡旋模态强度的关系,对部分相干Airy涡旋光束的相干宽度在传输过程中对模态强度的影响进行了理论分析。结果表明,选取拓扑荷数较小、主亮环半径较大、波长较长的部分相干Airy涡旋光束能有效减缓湍流效应的影响,减小强湍流中模态间的串扰;较大的湍流谱幂指数和较小的探测器孔径直径能提高部分相干Airy涡旋光束的模态强度;与完全相干涡旋光束相比,部分相干涡旋光束具有较强的湍流阻力,在大气湍流中能有更好的传输性能,相干性较差会导致螺旋谱分布弥散。这些结果对自由空间光通信的研究具有一定的参考价值。     

涡旋光束轨道角动量干涉及检测的研究

分析了涡旋光与平面波的干涉现象,利用涡旋光共轴叠加干涉生成携带双态轨道角动量的光,并将其应用于轨道角动量拓扑荷数的检测。利用叉形错位光栅制备呈中心对称的涡旋光束,并讨论了在不同拓扑荷数情况下,利用两束涡旋光束干涉制备双态轨道角动量光束。数值模拟和实验结果表明,随着拓扑荷数的数值及正负的变化,两束涡旋光束干涉叠加后其干涉图像发生规律性的变化,据此可检测涡旋光束。涡旋光束在信息传输及编码方面具有重要意义,此研究为其在自由空间通信中的复用提供了实验依据,也为光通信系统的性能改善提供了可能。     

光束轨道角动量谱的测量技术研究进展（特邀）

自Allen等证明具有螺旋相位波面的激光束携带有轨道角动量以来,对光束轨道角动量调控技术的研究取得了跨越式的发展,获得了包括相位涡旋光束、矢量涡旋光束、激光束阵列等多种新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测、激光加工、高分辨率成像等领域展现出广阔的应用前景。准确测量光束的轨道角动量是其应用的重要基础,早期人们更多地关注对待测光束所包含的轨道角动量成分分布的测量,后来逐步拓展至对各个轨道角动量成分的强度比重即轨道角动量谱的测量。文中系统地回顾并总结近年来光束轨道角动量谱测量技术的发展,主要介绍了包括基于衍射、模式分束等方法的新型光束轨道角动量谱测量技术。     

涡旋光束旁瓣抑制的研究进展

涡旋光束是一种具有螺旋型波前和光学轨道角动量的特殊光场,这种特性使其在光学微操纵、光学成像以及自由空间光通信等领域中具有广阔的应用前景.本文以螺旋相位板所产生的涡旋光束为基础,简要介绍了涡旋光束光强分布的特点,总结分析了目前几种涡旋光束旁瓣抑制方法的原理与特点,并就国内外的研究现状和应用前景进行了总结与展望.     

基于波前相位校正的OAM-SK FSO通信系统误码率性能研究

弱大气湍流条件下,针对轨道角动量键控自由空间光通信系统,基于Gerchberg-Saxton算法和角谱理论,提出了一种改进的Laguerre-Gaussian光束波前相位校正算法。该算法将传输前后探测光束的光场分布作为输入,利用迭代计算得到的相位掩膜校正畸变的传输光束,从而减缓大气湍流引起的模间串扰效应。仿真结果表明,改进的波前相位校正算法明显优于传统的GS算法,且随着折射率结构参数的增加,系统的误码率性能得到显著提升。     

用于水下光通信高维调制与解调的轨道角动量叠加态

通过涡旋光束的轨道角动量的叠加态的识别研究，提出了一种在水下无线光通信中运用涡旋光束进行高维信息调制与解调的方法。给出了两种涡旋光束的叠加态的识别方法和流程，并对水信道传输后的叠加态的光强分布图进行了识别，得出叠加态中的拓扑荷数，以此通过实验论证了轨道角动量叠加态可在低拓扑荷数情况下实现16维信息的调制与解调，为涡旋光束在水下无线光通信中的应用提供了一种可行方案。     

室内走廊环境毫米波OAM信道特性分析与统计建模

针对自由空间传播模型仅能描述自由空间场景下携带轨道角动量(OAM)的涡旋信道传播特性,以及确定性稀疏多径涡旋信道模型严格依赖于传播环境而不能准确刻画真实多径场景下OAM信道传播特性的问题,该文提出毫米波OAM多径信道统计建模方法。在室内走廊环境下构建基于均匀圆形天线阵列(UCA)的OAM辐射传输系统,基于光学射线理论与UCA辐射特性,建立OAM多径信道模型。结果表明,在毫米波频段均匀分布和Nakagami-m分布能够准确地表征室内走廊多径环境下的OAM信道波前相位和幅度,视距(LoS)和非视距(NLoS)传播条件下传播距离较大时信道幅度服从瑞利分布,视距传播条件下传播距离较小时信道幅度服从莱斯分布。