【摘要】：光波的基本維度資源包括幅度、相位、偏振、時間、波長/頻率和橫向空間分布。目前,對光波的偏振、時間、幅度/相位、波長/頻率等資源的利用已經(jīng)接近極限。除了這些傳統(tǒng)的光波維度外,光波還具有橫向空間維度。利用空間維度,增加空間中并行信道個數(shù)可有效提升傳輸系統(tǒng)的通信容量,突破現(xiàn)有技術(shù)容量極限,實現(xiàn)光通信的可持續(xù)擴容。具有特殊的橫向空間分布的光束又稱為特種光束,由于其特殊的物理性質(zhì),已經(jīng)在光學領(lǐng)域吸引了廣泛的關(guān)注。目前,已經(jīng)有多種類型的特種光束在自由空間及光纖中被研究報道。在光通信中,特種光束不僅可以用于模式復用以提升通信容量,其獨特的性質(zhì)也可以讓通信系統(tǒng)變得更為靈活。本文在特種光束的產(chǎn)生及在光通信中的應用方面開展了一系列理論和實驗應用研究,具體內(nèi)容如下:(1)理論和實驗研究了自由空間中特種光束的產(chǎn)生及在自由空間光通信中的應用。(1)實驗研究了利用兩個純相位型的空間光調(diào)制器實現(xiàn)對空間光場振幅和相位的同時調(diào)控。利用這種方法,在實驗中產(chǎn)生了各種類型的特種光束如貝塞爾光束,拉蓋爾高斯光束,多渦旋光束以及具有特殊強度分布的光束。(2)理論研究了單一相位元件產(chǎn)生多個共軸傳輸?shù)臏u旋光束。通過利用基于模式搜索算法的相位迭代算法,在仿真中實現(xiàn)了多達100路隨機間隔分布和50個等間隔分布的渦旋光束的同時產(chǎn)生,并且可以通過算法調(diào)節(jié)每個產(chǎn)生的渦旋光束的相對功率。(3)通過使用研究的基于模式搜索算法的相位迭代算法,在實驗中產(chǎn)生了10路貝塞爾光束進行廣播通信。同時,在實驗中驗證了貝塞爾光束的自恢復特性。在路徑中有障礙物的情況下,貝塞爾光束可恢復原始場分布成功通信,實驗測得誤碼率小于1e-3。(4)實驗研究了彎曲光束的產(chǎn)生及其在通信中的應用。在實驗中成功演示了自由空間任意彎曲光束通信。此外,還在實驗中展示了自由空間彎曲光束通信的多種功能,包括躲避障礙物傳輸、自恢復傳輸、自斷裂軌跡傳輸和多用戶信息傳輸。實驗結(jié)果表面彎曲光束可使自由空間光通信更為靈活,穩(wěn)定和多功能。(2)實驗研究了傳統(tǒng)少模和多模光纖中特種光束的通信。(1)研究了少模光纖中線偏振(LP:linearly polarized)模式和渦旋光模式的傳輸性能,在實驗中利用LP模式和渦旋光模式在1.1 km少模光纖中進行模式編碼通信,并成功實現(xiàn)圖像傳輸。(2)為了提升模式編碼速率,研究了利用強度調(diào)制到模式編碼調(diào)制的映射來實現(xiàn)高速模式編碼,并且在2.6 km傳統(tǒng)OM3多模光纖中實現(xiàn)了10 Gbit/s的模式編碼傳輸。(3)分析了傳統(tǒng)多模光纖中渦旋光束特性,進行了多模光纖中渦旋光束信息傳輸研究,成功在傳統(tǒng)多模光纖中傳輸了4個不同的渦旋光束OAM(orbital angular momentum)模式(OAM_(0,1),OAM_(+1,1),OAM_(+2,1),和OAM_(+3,1)),并且進行渦旋光束復用信息傳輸,傳輸速率達到40 Gbit/s。(4)通過結(jié)合傳統(tǒng)多模光纖和傳統(tǒng)少模光纖,實現(xiàn)了異構(gòu)光纖網(wǎng)絡(luò)的渦旋光束復用傳輸,傳輸速率達到40 Gbit/s。(3)實驗研究了新型橢圓芯和環(huán)形光纖中的特種光束通信。(1)研究了低模式串擾橢圓芯少模光纖,此光纖支持兩個LP特種光束模式,且兩模式間串擾小于-18 dB。同時,實現(xiàn)了1.1 km光纖中LP模式特種光束20 Gbit/s的超快編碼傳輸。實驗結(jié)果表明通過兩路模式編碼傳輸信號相減可以進一步提升系統(tǒng)傳輸性能。(2)研究了具有特殊漸變折射率分布環(huán)形OAM光纖,此環(huán)形光纖支持5個渦旋光束模群,且模群間有效折射率較大,模式串擾較小。在實驗中研究了18 km高階渦旋光束的低串擾模式復用傳輸。結(jié)合波分復用技術(shù),實現(xiàn)了8.4 Tbit/s的高速信息傳輸。(3)為了進一步為長距離渦旋光束光纖通信做準備,提出并實驗論證了長距離環(huán)形光纖中的渦旋光束分布式拉曼放大傳輸系統(tǒng)。在1530 nm到1565 nm的范圍內(nèi),兩個OAM模式的最大開關(guān)增益為3.5 dB,不同模式增益差在0.3 dB以內(nèi)。在所有多路OAM模式復用通道中,具有拉曼增益的光信噪比相比無拉曼增益高1.2 dB。實驗結(jié)果表明,長距離OAM環(huán)形光纖中的分布式拉曼放大傳輸系統(tǒng)具有良好性能,對長距離OAM模式復用通信提供了一個潛在的解決方式。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1
【圖文】：

[3]。圖1-1 光波基本資源維度從上個世紀70年代開始，隨著低損耗石英光纖和半導體激光器的成功研制，光通信步入了一個飛速發(fā)展的時期。在過去近50年里，在一系列光通信技術(shù)的開發(fā)推動下，

明基于渦旋光束的自由空間SDM系統(tǒng)具有很大的開發(fā)潛力。在少模及多模光纖中，不同階數(shù)的LP模式是相互正交的，通過在同一根光纖中復用多個LP模式同時傳輸能提升通信容量，如圖1-2（b）所示。光纖支持的LP模式越多，通信系統(tǒng)容量提升的潛力就越大[40-43]。圖1-2 （a）基于渦旋光束自由空間模式復用通信示意圖；（b）基于LP模式光纖中模式復用通信示意圖為了將光波的橫向空間維度利用起來，需要控制光的橫向空間振幅相位來便捷高效產(chǎn)生各種特種光束以便進行復用傳輸。因此，靈活自由的特種光束的產(chǎn)生技術(shù)是模

trapping），光鑷（optical tweezer），光學扳手（optical wrench）等應用[57-61]，如圖1-3（a）[57]。通過利用Bessel光束中心光強集中，且具有無衍射自恢復特性，可用于超分辨成像，如圖1-3（b）[62]。利用Airy光束的彎曲特性，可以將光轉(zhuǎn)移到非直線傳輸位置，實現(xiàn)光學路由，如圖1-3（c）[52]。圖1-3 （a）利用渦旋光束實現(xiàn)粒子操控應用[57]；（b）利用貝塞爾光束實現(xiàn)超分辨成像[62]；（c）利用艾里光束實現(xiàn)光學路由[52]

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