基于轨道角动量光(子)束的无线激光通信

摘要

近年来,对具有轨道角动量的光束研究是光通信领域的一大热点,此种光束含有相位因子exp(ilθ)。本文论述了不同大气湍流条件下,光子轨道角动量探测概率受低阶大气湍流像差的影响情况,文章在已经很成熟的光束轨道角动量编码理论的基础上,提出了一种应用单光子轨道角动量态进行编码的光通信方案。从调制子系统、解调子系统等方面阐述了其基本原理、组成结构及关键技术。本文主要工作包括：1.调制子系统的设计及其实现。对具有轨道角动量光束的产生原理及其特性进行了详细的分析,选择了计算机生成相位全息图来实现它,并对具有轨道角动量的单光子产生原理进行了简要说明。2.解调子系统的设计及其实现。包括高灵敏度的光电探测器件的选择,光束旋转器对光信号的处理部分,还对一些辅助器件略作了介绍。3.该通信系统的工作原理。从单光子轨道角动量态的产生到应用于通信编码,主要给出了公式推导,最后还对此系统的安全性和优点进行了简要说明。理论分析表明,与利用偏振态编码相比,此系统能够提高通信容量,并能提高信息密度。因此,对多组正交的单光子轨道角动量态编码的推广,是很有意义的,它可极大的提高码元生成效率,改善信息的传输速率。最后对全文提出的理论进行了总结,指出了在今后研究工作中有待于完善的问题。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题研究意义和国内外现状

1.1.1 研究意义

1.1.2 国内外研究现状

1.2 单光子轨道角动量态编码通信系统组成及其相关技术

1.3 本文的主要工作

2 调制子系统设计

2.1 激光光源

2.1.1 激光器的基本工作原理

2.2 光束光子轨道角动量

2.2.1 光束轨道角动量的定义

2.2.2 光束轨道角动量的产生

2.2.3 几种具有轨道角动量光束的特点及其单光子轨道角动量

2.2.4 LG模与贝塞尔光束间的转换

2.2.5 具有轨道角动量光束的基本性质和特征

2.3 小结

3 光束光子轨道角动量受大气信道影响的基本模型

3.1 自由空间传播中的光束及其光子轨道角动量

3.1.1 具有轨道角动量光束在自由空间的传播

3.1.2 用于自由空间信息传输的轨道角动量谱

3.2 大气湍流对基于光子轨道角动量光通信的影响

3.2.1 大气湍流的强度和几种低阶像差

3.2.2 大气湍流对光子轨道角动量探测概率的影响

3.2.3 各湍流像差对光子轨道角动量探测概率影响的数值模拟

3.3 小结

4 解调子系统设计

4.1 光信号处理器件

4.1.1 光束旋转器的工作原理

4.2 杨氏双缝干涉技术

4.2.1 杨氏双缝干涉仪

4.2.2 轨道角动量不同的光束通过干涉仪时的情况

4.3 光信号探测器件

4.3.1 光电二极管的应用

4.4 小结

5 光束轨道角动量通信系统的工作原理

5.1 光束轨道角动量数据编码

5.1.1 单光束产生混合涡旋光场编码

5.1.2 多光束产生混合涡旋光场编码

5.2 小结

6 单光子轨道角动量态编码

6.1 单光子源

6.1.1 量子点单光子源

6.1.2 光的强衰减产生单光子序列

6.2 单光子轨道角动量态编码原理

6.2.1 单光子在空间中的传播特性

6.3 单光子轨道角动量态解码原理

6.4 系统的安全性分析及优点

6.4.1 系统的安全性分析

6.4.2 系统的优点

6.5 小结

7 结束语

7.1 结论

7.2 存在的问题

7.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果