本文關鍵詞：光子偏振qubits和OAM的自由空間傳輸特性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：光子可以攜帶兩種角動量：自旋角動量(spin angular momentum, SAM);和軌道角動量(orbital angular momentum, OAM)。光子的兩個SAM分別對應光的左旋圓偏振和右旋圓偏振,描繪了一個二維Hilbert空間,因此可以用作一個量子比特(qubit)的基�；谄駋ubits的自由空間量子光通信理論上能夠提供絕對的安全性,進一步通過衛(wèi)星可以構建全球量子光通信網(wǎng)絡,因而具有重要的現(xiàn)實意義。而OAM與光場的方位角相位相關聯(lián),它的本征模式含有一個螺旋的相位因子exp(i(?)θ)。由于l可以取任意的整數(shù),因此存在無窮多個OAM的本征模式。這些模式形成了一個無窮維的Hilbert空間,從而能夠用于編碼更多的信息,顯著的增加通信系統(tǒng)的信息容量。另一方面,相對于傳統(tǒng)的光纖信道,OAM模式能夠在自由空間信道更好的傳輸,因此基于OAM的自由空間光通信已經(jīng)吸引了大量的關注,是目前的一個研究熱點。自由空間量子光通信采用偏振編碼方案,也就是利用光子的正交偏振態(tài)實現(xiàn)qubits。因此單光子在自由空間傳輸過程中的偏振保持是一個至關重要的問題。OAM模式在自由空間傳輸?shù)倪^程中,大氣湍流效應引起模式的波前相位畸變,導致OAM模式信道間的串話,降低了基于OAM的自由空間光通信系統(tǒng)性能。本論文圍繞光子偏振qubits和OAM模式在自由空間中的傳輸特性開展了系統(tǒng)的研究,主要的創(chuàng)新性成果如下：(1).我們提出了一個廣義的星地量子光通信系統(tǒng)模型。該模型中衛(wèi)星軌道的離心率可以取區(qū)間[0,1)內(nèi)的任何一個值。此外,模型采用地心坐標系作為參考系,能夠直接應用美國宇航局兩行式衛(wèi)星參數(shù)。因而我們的模型非常適合于計算現(xiàn)有的或?qū)戆l(fā)射的任何一顆衛(wèi)星與地面接收站之間的相對運動所導致的光子qubits的偏振基旋轉(zhuǎn),能夠為不遠將來的工程實踐提供一定的指導。(2).我們首次理論上研究了大氣粒子的散射效應對光子qubits的影響。我們提出了一種新的矢量Monte-Carlo方法,該方法利用透過率成功的解決了在非均勻的大氣介質(zhì)中連續(xù)的兩次散射事件之間的光子自由程計算。顯示了在上鏈路和下鏈路中,偏振qubits都保持的很好,這與以前的實驗結果一致。然而,接收到的單光子數(shù)量不到發(fā)射的單光子數(shù)量的一半。(3).我們首次研究了遵循最現(xiàn)實的譜模型的大氣湍流對基于OAM的自由空間光通信系統(tǒng)的影響,并評估了在這種大氣湍流的影響下采用不連續(xù)的OAM模式編碼方式后系統(tǒng)的信道容量。顯示了不連續(xù)的OAM模式編碼方式能夠有效的降低OAM模式信道間的串話,使得系統(tǒng)信道容量逼近理想曲線。(4).我們具體的演示了強大氣湍流條件下一個恰當設計的閉環(huán)自適應光學系統(tǒng)模型對OAM模式波前相位畸變的實時矯正過程,顯示了自適應光學系統(tǒng)的應用能夠顯著提升系統(tǒng)的信道容量。此外我們考慮了大氣湍流隨風而動態(tài)演化,評估了在這種情況下?lián)碛凶赃m應光學補償?shù)幕贠AM自由空間光通信系統(tǒng)的瞬時特性。顯示了閉環(huán)自適應光學系統(tǒng)的實時矯正不僅能夠有效抑制系統(tǒng)的Strehl ratio和信道容量的波動,而且顯著增加了Strehl ratio的值和極大提升了系統(tǒng)信道容量。
【關鍵詞】：自由空間光通信 偏振qubits 大氣散射 軌道角動量 大氣湍流
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 引言13-33
• 1.1 光子偏振qubits和OAM模式13-19
• 1.2 研究進展19-21
• 1.3 論文結構安排21-22
• 參考文獻22-33
• 第二章 星地鏈路光子偏振qubits的偏振基旋轉(zhuǎn)33-51
• 2.1 自由空間量子光通信33-37
• 2.1.1 基本原理34-35
• 2.1.2 光偏振態(tài)的數(shù)學描述及傳輸理論35-37
• 2.2 星地量子光通信廣義模型37-44
• 2.2.1 參考坐標系39-40
• 2.2.2 衛(wèi)星的位置坐標40-42
• 2.2.3 入射光的方向42-43
• 2.2.4 最終單光子偏振態(tài)的表達式43-44
• 2.3 結果與討論44-48
• 2.3.1 類圓形軌道模擬44-46
• 2.3.2 橢圓軌道模擬46-47
• 2.3.3 結果討論47-48
• 2.4 結論48
• 參考文獻48-51
• 第三章 衛(wèi)星量子光通信的偏振qubits大氣散射51-67
• 3.1 偏振qubits的大氣散射52-54
• 3.1.1 單次散射52-53
• 3.1.2 多次散射53-54
• 3.2 數(shù)值計算方法54-59
• 3.2.1 基本的偏振光Monte-Carlo方法55
• 3.2.2 透過率方法55-58
• 3.2.3 大氣散射類型58
• 3.2.4 光子的吸收和邊界逃逸58-59
• 3.3 結果和討論59-63
• 3.3.1 后向散射Mueller矩陣59-60
• 3.3.2 下鏈路和上鏈路60-63
• 3.4 結論63
• 參考文獻63-67
• 第四章 大氣湍流效應對基于OAM自由空間光通信的影響67-93
• 4.1 LG光束產(chǎn)生和探測68-74
• 4.1.1 LG光束的產(chǎn)生方法70-73
• 4.1.2 LG光束的探測方法73-74
• 4.2 大氣湍流理論74-81
• 4.2.1 大氣湍流的形成74-75
• 4.2.2 Kolmogorov湍流理論75-77
• 4.2.3 大氣湍流的幾種譜描述77-79
• 4.2.4 光的波前相位變化與折射率波動的關系79-81
• 4.3 大氣湍流引起OAM模式間串話81-84
• 4.4 不連續(xù)的OAM模式編碼84-86
• 4.5 基于OAM的自由空間光通信系統(tǒng)信道容量的評估86-88
• 參考文獻88-93
• 第五章 采用自適應光學補償?shù)幕贠AM自由空間光通信93-117
• 5.1 擁有自適應光學補償?shù)幕贠AM的自由空間光通信系統(tǒng)94
• 5.2 湍流大氣信道的建模實現(xiàn)94-97
• 5.2.1 Monte-Carlo相位屏方法95-97
• 5.2.2 Monte-Carlo相位屏的驗證97
• 5.3 閉環(huán)自適應光學系統(tǒng)97-108
• 5.3.1 自適應光學的基本原理97-100
• 5.3.2 自適應光學系統(tǒng)的構成100-108
• 5.4 波前畸變的實時矯正108-111
• 5.5 信道容量的評估111-113
• 5.6 動態(tài)演化的大氣湍流情況下基于OAM的自由空間光通信系統(tǒng)的瞬時特性113-114
• 5.7 結論114-115
• 參考文獻115-117
• 第六章 總結和展望117-121
• 6.1 論文總結117-118
• 6.2 未來研究展望118-120
• 參考文獻120-121
• 致謝121-123
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文目錄123-124
• (一) 第一作者論文123-124
• (二) 其他作者論文124

【共引文獻】

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本文編號：358216