采用新型复用技术提高自由空间光通信数据率的应用基础研究

自由空间光通信的一个重要的研究内容是提高光通信系统的数据率，增加通道数目是一种提高数据率的有效方法，可以采用各种复用技术如时分复用、波分复用和偏振复用技术实现增加通道数目。本项目提出采用一种新型的复用技术-模分复用技术-以提高自由空间光通信的数据率。这种复用技术的实现手段是利用具有轨道角动量的光束有无穷多个相互正交的本征态这一量子化特征，采用轨道角动量本征光束构建同一光路中的多个信息传输通道，实现数据率的提高。理论上来这种方法比传统的复用技术提高无穷倍数据率。本项目将设置制作相关核心元件和电路，并搭建一个实验系统来实现模分复用技术，进而实现更高的自由空间光通信的数据率。在研究的同时将深入分析光束轨道角动量在自由空间通信中的一些新现象和新的物理性质。

自由空间光通信的一个重要的研究内容是提高光通信系统的数据率，增加通道数目是一种提高数据率的有效方法，可以采用各种复用技术如时分复用、波分复用和偏振复用技术实现增加通道数目。本项目主要进行了四项工作：（1）采用光栅衍射方法实现多路螺旋光的产生和合束。本项目利用二维平行光栅将入射基模光束分成9束基模光束，然后采用二维叉状光栅将这9束基模变换成9束螺旋光，同时将这9束螺旋光共轴叠加合成一束光束。（2）验证了模分复用技术。在（1）的基础上9束基模光束进行调制，则合成光学将携带全部9束基模光束的信息，采用模式分离装置可将9路螺旋光携带的信息分离出来。（3）研究组合波片法产生和检测螺旋光。虽然可以采用衍射光栅实现螺旋光的产生和检测，马赫—曾德尔干涉仪可以实现螺旋光的分离，但是组合波片法在生成和检测螺旋光时具有结构简单，易于调制，易于系统小型化的特点，因此本项目详细研究了采用组合波片产生和检测螺旋光的原理和方法。（4）携带轨道角动量的螺旋光在自由空间通信中的两种新现象的研究。本项目还研究了螺旋光的高速调制特征和光束传输过程中的轨道角动量谱的变换特征。在研究螺旋光高速调制时我们发现了其时间和空间变换特征，这对模分复用技术的后续高速信息传输的研究和应用有重要的指导意义；我们还发现光束传输过程中在一定情况下轨道角动量谱满足线性变换关系，这意味着可以利用轨道角动量谱实现信息的加密和恢复。本项目基本沿着既定的路线和方向进行，经过三年的研究，已经取得了一些成果，但是还有部分未能很好的完成，需要在后续的工作中给予进一步的深入研究。