本文關(guān)鍵詞：模分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中模式控制關(guān)鍵技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：模分復(fù)用技術(shù)是大幅增加光通信容量最有前景的方法之一,被認(rèn)為是光纖通信領(lǐng)域中的第二次革命。模式控制是模分復(fù)用技術(shù)的前提和關(guān)鍵。模式控制的內(nèi)涵包含模式激勵、模式轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)。模式激勵位于模分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)發(fā)送機(jī)最前端,產(chǎn)生系統(tǒng)需要的模式,是模分復(fù)用實(shí)現(xiàn)的前提；模式轉(zhuǎn)換應(yīng)用于模分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)的模式復(fù)用前端、模式解復(fù)用后端,以及模分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換核心節(jié)點(diǎn),是模分復(fù)用和模式交換的關(guān)鍵。論文緊緊圍繞模式控制的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù),對模式激勵和轉(zhuǎn)換的條件和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入的理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)研究。論文以模場匹配為理論指導(dǎo),提出了實(shí)現(xiàn)空間頻譜匹配和模場半徑預(yù)匹配的方法,搭建了基于空間光調(diào)制器的模式激勵和模式轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)平臺,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了常見的20多個模式的激勵以及部分高階模之間的轉(zhuǎn)換。論文進(jìn)一步以最大化模式轉(zhuǎn)換相關(guān)系數(shù)為目標(biāo),提出了基于模擬退火算法的任意模式高精度控制方法,最終實(shí)現(xiàn)任意模式的快速高精度轉(zhuǎn)換。論文的創(chuàng)新點(diǎn)和主要工作如下：1.提出基于模場匹配原理補(bǔ)償幅度損傷的二進(jìn)制相位模式控制方法。首先從空間頻率域分析,提出了基于空間頻譜匹配的模式轉(zhuǎn)換方法,通過空間頻譜匹配方法補(bǔ)償徑向上的幅度損傷。論文在空間頻率域上推導(dǎo)了模式轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù),引入并推導(dǎo)了空間頻譜束腰半徑,進(jìn)而提出了通過改變4f系統(tǒng)的兩個透鏡焦距比例來實(shí)現(xiàn)空間頻譜匹配的方法,搭建基于空間光調(diào)制器(SLM:Spatial Light Modulator)的模式激勵和模式轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)平臺,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了LPo1到LP02到LP22a和LP03到LP22a的轉(zhuǎn)換。然后針對空間頻率域方法中通過物理上改變透鏡焦距實(shí)現(xiàn)匹配存在不夠靈活的問題,論文進(jìn)一步提出了一種基于模場半徑預(yù)匹配的模式轉(zhuǎn)換方法。論文利用SLM的像素點(diǎn)能靈活可調(diào)的優(yōu)點(diǎn),從理論上引入模場半徑匹配系數(shù),通過軟件控制SLM的相位函數(shù)實(shí)現(xiàn)模場匹配,數(shù)值仿真了模場半徑匹配系數(shù)對模式激勵和高階模式轉(zhuǎn)換的影響,進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)中,通過基于模場半徑預(yù)匹配思想求解SLM的相位濾波函數(shù),靈活補(bǔ)償模式控制過程中徑向上的幅度損傷,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了常見二十多種模式的激勵以及部分高階模式之間的轉(zhuǎn)換。2.提出了一種聯(lián)合相位和幅度調(diào)制的模式轉(zhuǎn)換方法。第1點(diǎn)中的模式控制方法考慮了傳遞函數(shù)的全部相位信息,同時通過空間頻譜匹配或者模場半徑預(yù)匹配的方法引入了部分幅度信息,最終實(shí)現(xiàn)部分高階模式的轉(zhuǎn)換,但轉(zhuǎn)換精度不高。論文進(jìn)一步提出了聯(lián)合相位和幅度調(diào)制的模式轉(zhuǎn)換方法。論文利用相同類型的相位型SLM,但對SLM的像素點(diǎn)進(jìn)行以4個像素點(diǎn)為基本單元的網(wǎng)格劃分,以網(wǎng)格內(nèi)像素的平均值體現(xiàn)傳遞函數(shù)的相位信息,以網(wǎng)格內(nèi)各個像素點(diǎn)的相位變化值體現(xiàn)傳遞函數(shù)的幅度信息,并在SLM后端結(jié)合4f系統(tǒng)和孔徑光闌的濾波作用,實(shí)現(xiàn)相位和幅度的聯(lián)合調(diào)制,從而補(bǔ)償了純相位型SLM的幅度損傷。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,聯(lián)合幅度和相位調(diào)制的模式轉(zhuǎn)換方法能夠以更好的轉(zhuǎn)換精度實(shí)現(xiàn)更多的模式控制。3.提出了一種基于模擬退火算法的任意模式高精度控制方法。上述兩種方法對模式控制傳遞函數(shù)幅度損傷的補(bǔ)償仍然不足,不能實(shí)現(xiàn)任意模式的轉(zhuǎn)換。論文以模式轉(zhuǎn)換相關(guān)系數(shù)最大化為目標(biāo),建立了任意模式轉(zhuǎn)換的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。接著論文以任意模式轉(zhuǎn)換的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為指導(dǎo),提出了一種基于模擬退火算法的任意模式精確轉(zhuǎn)換方法,利用模擬退火算法能夠以較大概率求得組合優(yōu)化問題全局最優(yōu)解的優(yōu)點(diǎn),將模擬退火算法引入到模式控制中,設(shè)置SLM為二進(jìn)制相位函數(shù),通過求解相位型SLM傳遞函數(shù)的全局最優(yōu)解達(dá)到最大化補(bǔ)償幅度損傷,實(shí)現(xiàn)了任意模式轉(zhuǎn)換,并明顯提高了模式轉(zhuǎn)換的相關(guān)系數(shù),轉(zhuǎn)換相關(guān)系數(shù)在80%以上。針對傳統(tǒng)模擬退火算法實(shí)現(xiàn)任意模式的精確轉(zhuǎn)換存在耗時較長、模式轉(zhuǎn)換精度還有一定提升空間的問題,論文提出了基于多進(jìn)制相位調(diào)制的高精度快速模式控制方法。論文以模場匹配理論為指導(dǎo),對SLM的有效面積引入局部自適應(yīng)方法,結(jié)合硬件上的多線程和圖形處理單元,通過并行處理技術(shù)大大降低了求解相位型SLM最優(yōu)傳遞函數(shù)時的耗時量,將模式轉(zhuǎn)換的耗時量降低94%以上。在此基礎(chǔ)上提出多進(jìn)制相位的模擬退火算法,將SLM的像素設(shè)置為多進(jìn)制相位函數(shù),實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換相關(guān)系數(shù)高達(dá)99%以上的任意模式高精度快速轉(zhuǎn)換。
【關(guān)鍵詞】：光纖通信系統(tǒng) 模分復(fù)用 模式控制 空間光調(diào)制器 模擬退火算法 模場匹配
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.11
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-33
• 1.1 研究背景10-13
• 1.2 空分復(fù)用技術(shù)及研究現(xiàn)狀13-17
• 1.2.1 空分復(fù)用技術(shù)的演進(jìn)13-14
• 1.2.2 空分復(fù)用研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2.3 模分復(fù)用技術(shù)16-17
• 1.3 模式控制研究現(xiàn)狀17-21
• 1.3.1 模式控制現(xiàn)有方案17-20
• 1.3.2 模式控制技術(shù)的未來需求20-21
• 1.4 論文結(jié)構(gòu)和主要工作21-24
• 1.4.1 論文組成21-22
• 1.4.2 主要工作22-24
• 1.5 參考文獻(xiàn)24-33
• 第二章 模分復(fù)用中的模式理論及模式控制基礎(chǔ)33-42
• 2.1 多模/少模光纖中模式理論模型33-37
• 2.1.1 漸變折射率光纖中的拉蓋爾高斯解34-36
• 2.1.2 階躍折射率光纖中的貝塞爾解36-37
• 2.2 純相位調(diào)制的模式控制原理37-40
• 2.3 本章小結(jié)40
• 2.4 參考文獻(xiàn)40-42
• 第三章 基于二進(jìn)制相位調(diào)制的模式激勵42-58
• 3.1 拉蓋爾高斯模式的傅里葉變換42-46
• 3.2 二進(jìn)制相位調(diào)制原理46-54
• 3.2.1 原理46-50
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)平臺50-51
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵器件51-53
• 3.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果53-54
• 3.3 垂直入射SLM的模式激勵實(shí)驗(yàn)54-55
• 3.4 本章小結(jié)55-56
• 3.5 參考文獻(xiàn)56-58
• 第四章 基于模場匹配原理的模式轉(zhuǎn)換58-80
• 4.1 基于空間頻譜匹配的模式轉(zhuǎn)換59-64
• 4.1.1 SLM的理想傳遞函數(shù)59-60
• 4.1.2 SLM的相位型傳遞函數(shù)60-62
• 4.1.3 仿真結(jié)果及分析62-63
• 4.1.4 平臺搭建及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證63-64
• 4.2 基于模場半徑預(yù)匹配的模式轉(zhuǎn)換64-73
• 4.2.1 模式激勵65-67
• 4.2.2 高階模式轉(zhuǎn)換67-68
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)平臺及實(shí)驗(yàn)結(jié)果68-73
• 4.3 聯(lián)合相位和幅度調(diào)制的模式轉(zhuǎn)換73-77
• 4.4 本章小結(jié)77
• 4.5 參考文獻(xiàn)77-80
• 第五章 基于模擬退火算法的任意模式精確轉(zhuǎn)換80-100
• 5.1 任意模式轉(zhuǎn)換最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型80-82
• 5.2 基于模擬退火算法的任意模式轉(zhuǎn)換82-86
• 5.2.1 模擬退火算法82-83
• 5.2.2 模擬退火算法實(shí)現(xiàn)任意模式轉(zhuǎn)換83-84
• 5.2.3 SA方法和SSM方法結(jié)果對比84-86
• 5.3 基于多進(jìn)制相位調(diào)制的高精度快速模式控制86-97
• 5.3.1 引入局部自適應(yīng)和并行技術(shù)提高模式轉(zhuǎn)換速度86-91
• 5.3.2 引入多進(jìn)制相位調(diào)制提高模式轉(zhuǎn)換精度91-97
• 5.4 本章小結(jié)97-98
• 5.5 參考文獻(xiàn)98-100
• 第六章 論文總結(jié)與展望100-102
• 常用符號和縮略詞索引102-104
• 致謝104-106
• 攻讀博士期間學(xué)術(shù)成果與參與課題106-107

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 邢志忠;;國際光年的緣起[J];科學(xué)世界;2015年01期

  本文關(guān)鍵詞：模分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中模式控制關(guān)鍵技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：348291