光通信中量子接收机的理论与初步实验研究

摘要

在经典光通信系统中，由于受到散粒噪声的影响，通信系统接收机性能存在着经典极限——标准量子极限(standard quantum limit，SQL)。近年来，随着量子信息技术的发展，利用光的量子特性设计新型的光接收机方案逐渐引起学术界的关注。这是因为，采用量子探测和测量的技术可以获取之前使用经典探测所不能获得的信息。这种方案可以让系统的性能突破标准量子极限，从而获得经典检测方案所不能达到的更低的误码率和更高的信道容量。当前对量子接收机的研究进展还比较缓慢，尚停留在理论研究和初步实验验证阶段，仍然有许多值得研究的理论和实验课题。
　　在本论文中，我们首先回顾一下自上个世纪六十年代量子接收机只提出以来的研究进展，然后就以下三个问题进行深入探究:
　　1.QAM信号量子接收机理论研究。到目前为止，二元调制和相位调制(PSK)方案的量子接收机，国际上已经有较多的研究人员关注，也取得了很多具有突破意义的成果。但是对于更高阶调制的QAM信号，研究人员关注的还较少。本文将目前几种接收机方案推广到QAM信号，对QAM信号的量子接收机进行系统的研究。这些接收机包括Bondurant接收机、自适应分区检测接收机和混合接收机等三种接收机方案。通过对三种接收机方案进行对比，可以为工程上可实现的量子接收机方案设计提供参考。
　　2.二元调制多符号信号条件归零接收机理论研究。相比于对单个符号的检测方案，采用联合检测思想的条件归零接收机更具有研究价值。在本文中，我们将条件归零接收机的方案应用到多脉冲脉冲位置调制(MPPM)、编码后的OOK调制、编码后的BPSK调制信号。在此基础上，通过对接收机接收策略的优化，我们将接收机的误码率降低到经典检测方案的标准量子极限以下。
　　3.量子接收机初步实验研究。作为初步实验验证工作，本文对BPSK的Kennedy接收机，进行初步的实验验证工作。实验结果表明，在相同的系统效率的情况下，我们的Kennedy接收机性能能够突破标准量子极限。这是国内首次从实验上初步验证了量子接收机的理论。通过替换发射端的态制备光调制器和接收端的光调制器，原则上这种方案可以用于任意PSK信号、QAM信号和二元调制多符号信号的量子接收机的实验研究。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景简介

1．1．1 量子接收机研究意义

1．1．2 量子接收机的国内外研究现状与趋势

1．2 论文主要内容

1．2．1 QAM信号量子接收机理论研究主要内容

1．2．2 二元编码信号的联合译码量子接收机理论研究主要内容

1．2．3 量子接收机初步实验研究主要内容

第2章 量子光通信的理论基础

2．1 电磁场的量子态描述

2．1．1 相干态

2．1．2 位移操作

2．2 经典光通信的接收方案

2．2．1 直接检测

2．2．2 零差接收

2．2．3 外差接收

2．3 量子检测与估计理论

2．3．1 经典最优检测

2．3．2 量子最优检测

2．3．3 平方根检测

2．4 现有的量子接收机简介

2．4．1 二元调制信号量子接收机

2．4．2 多元调制信号量子接收机

2．4．3 其它类型量子接收机

2．5 量子信道编码理论

第3章 QAM信号量子接收机

3．1 QAM信号接收机理论极限

3．1．1 标准量子极限

3．1．2 Helstrom极限

3．2 QAM信号Bondurant接收机

3．3 QAM信号自适应分区检测接收机

3．4 QAM信号混合接收机

3．5 总结

第4章 二元调制多符号条件归零接收机

4．1 MPPM信号条件归零接收机

4．1．1 MPPM信号标准量子极限

4．1．2 MPPM信号Helstrom极限

4．1．3 MPPM条件归零接收机

4．2 编码后二元调制信号条件归零接收机

4．2．1 Hamming码与极化编码

4．2．2 编码后二元调制信号标准量子极限

4．2．3 编码后二元调制信号最优量子检测极限

4．2．4 编码后二元调制信号条件归零接收机

4．3 总结

第5章 量子接收机初步实验研究

5．1 实验原理及实验平台搭建

5．2 Kennedy接收机实验验证

5．3 总结

第6章 总结与展望

6．1 研究成果总结

6．2 研究工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果