基于激光轨道角动量的大容量空间激光通信研究

Orbital angular momentum is independent of any other state the amount of physical dimensions, as well as theoretically infinite degrees of freedom, is used in combination with other multiplexing transmission rate orders of magnitude improvement in laser communication system is expected to achieve, to meet the growing high-capacity broadband informationtransmission needs, and has broad application prospects. The main goals of this project are: the generation and detection of the beam with orbital angular momentum, the propagation characteristics of the optical vortex through atmospheric turbulence;the influence of atmospheric turbulence on optical communications using orbital angular momentum for coding and encoding.The studies includes: (1) generation method of high-quality optical vortex and efficient detection; (2) the influence of atmospheric turbulence on topological space, coherence, polarization state and spectral characteristics; (3) coding and encoding using orbital angualr momentum in atmospheric channel; (4) establish a computing platform simulation and experimental platform for laser communications laser-based orbital angular momentum. Expected results in the generation and detection of high-quality vortex beams, as well as to achieve a breakthrough codec based on the data aspects of the orbital angular momentum, which has great significance for the future sustainable development of broadband communications technology.

轨道角动量作为一种独立于其他任何状态量的物理维度，以及理论上无穷大的自由度，与其他复用技术联合使用有望实现激光通信系统传输速率数量级的提升，满足日益增长的大容量宽带信息传输需求，具有广阔的应用前景。为此，本项目对具有轨道角动量的光束产生和检测，大气中的传输特性以及轨道角动量编码进行深入研究。研究内容包括：(1)具有轨道角动量的高质量涡旋光束的产生方法以及高效检测；（2）大气湍流、散射和吸收对涡旋光束空间拓扑特性、相干性、偏振态和频谱特性等的影响研究；（3）基于激光轨道角动量的数据编码和解码；（4）建立基于激光轨道角动量的激光通信仿真计算平台与实验平台。预期成果将在高质量涡旋光束的产生和检测，以及基于轨道角动量的数据编解码方面实现突破，从而对未来宽带通信技术的可持续发展具有十分重要的意义。

轨道角动量作为一个新的物理维度，与其他物理量频率，偏振等联合复用，有望实现激光通信系统传输数率数量级的提升，从而满足日益增长的大容量宽带信息技术传输需求。但是基于激光轨道角动量的大容量空间激光通信也面临许多问题。因为基于轨道角动量的光通信其复用技术是根据光束扭转的角度来决定的，当涡旋光束远距离传输时，信道对改变涡旋光束的扭转角度，同时涡旋光束发散较快，从而提高了接收端解调难度，甚至无法解调。如何在长距离大气信道环境下有效的接收涡旋光束也是基于激光轨道角动量的大容量空间激光通信需要克服的挑战。.本项目针对基于激光轨道角动量的大容量空间激光通信面临的关键问题，研究了涡旋光束在大气湍流中的传输特性，建立了大气传输模型，并提出了补偿大气湍流影响的算法。具体如下：1）实现了基于空间光调制器涡旋光束产生，搭建了相应的实验平台；2）通过研究涡旋光束在大气湍流中的传输特性，建立了涡旋光束的大气传输模型；3）提出了基于激光轨道角动量通信系统的自适用光学补偿算法和实验方案；4）提出了利用可工作在常温下的原子滤光器抑制通信系统中的背景噪声。本项目发表SCI期刊论文8篇，EI期刊论文2篇，会议论文3篇，申请专利3项(2项已经授权)，完成了主要研究内容。