基于分数阶轨道角动量光束的模分复用系统干扰机理研究

Mode division multiplexing(MDM) communications based on orbital angular momentum(OAM) of photons utilize vortex beams with OAM. This is a frontier of wireless optical communications free space optical(FSO) communications. Fractional.OAM(FrOAM) beams can overcome the problem that the infinite dimensions of integer OAM beams can only be used partially under the limitation of the size of the apertures. However, the utilization of FrOAM beams still consists the problems of unknown mechanisms of the interference and inadequate signal processing of overlay FrOAM beams. To solve the problems above, we firstly study the characteristics of FrOAM beams in transform domains. According to the analysis of the spectrum, the nonlinear transformation, the correlation characteristics and the interference characteristics, we will reveal the interference mechanism of mode division multiplexing systems based on FrOAM beams and set up a signal processing mechanism for FrOAM multiplexing signals, in order to narrow the interval of the available OAM modes and increase the capacity of the system significantly. This work will supply a basic theory for the further researches and applications of MDM systems based on FrOAM beams.

基于光子轨道角动量(OAM)的模分复用通信采用涡旋光束这一具有轨道角动量的特殊光束，是无线光通信的前沿领域。分数阶轨道角动量光束能克服整数阶轨道角动量光束在有限孔径条件下无穷维度的应用受限问题，但仍然存在干扰机理不明和信号处理机制不完善的问题。本项目针对基于分数阶轨道角动量光束模分复用系统存在的问题，从分数阶轨道角动量光束在变换域的性质出发，通过谱分析、非线性变换、相关特性分析和干涉特性分析，揭示分数阶轨道角动量光束模分复用系统的干扰机理，并依据干扰模型建立叠加分数阶轨道角动量光束的信号处理机制，以缩小可用轨道角动量间隔，大幅度提高由轨道角动量带来的系统通信容量增益，为分数阶轨道角动量光束在模分复用系统中的理论和应用研究奠定基础。

基于光子轨道角动量(OAM)的模分复用通信采用涡旋光束这一具有轨道角动量的特殊光束，是无线光通信的前沿领域。分数阶轨道角动量光束能克服整数阶轨道角动量光束在有限孔径条件下无穷维度的应用受限问题，但仍然存在干扰机理不明和信号处理机制不完善的问题。本项目针对基于分数阶轨道角动量光束模分复用系统存在的问题，从分数阶轨道角动量光束在变换域的性质出发，通过谱分析、非线性变换、相关特性分析和干涉特性分析，揭示分数阶轨道角动量光束模分复用系统的干扰机理，并依据干扰模型建立叠加分数阶轨道角动量光束的信号处理机制，以缩小可用轨道角动量间隔，大幅度提高由轨道角动量带来的系统通信容量增益，为分数阶轨道角动量光束在模分复用系统中的理论和应用研究奠定基础。.针对现有OAM光束复用系统研究存在的系统参数过于多样化缺少统一标准的问题，本项目提出了基于基模高斯光束瑞利最小均方根半径为标准参数的系统标准化模型；对任意阶OAM光束空间干扰机理进行研究，针对传统的螺旋谱分析只能分析整数阶轨道角动量特征模的局限性，利用推导得到的任意阶轨道角动量光束之间的内积的闭合形式；对多束任意阶OAM光束同轴传输时系统总体干扰特性进行研究，得出了特定光束模式选取规则下的任意阶轨道角动量模分复用系统的模传输增益矩阵模型，建立了设计系统结构和研究系统性能的理论基础；根据对称性和边缘优势特性，对固定复杂度复用信号检测算法进行了改进；针对拓扑荷间隔较小的直接复用系统内光束模式间干扰较大、误码率较高的问题，提出能够抑制部分相邻模式干扰的模时编码复用方法。.本项目研究得到的任意阶OAM光束干扰模型是进一步完善任意阶OAM光束复用通信体制的基础。基于任意阶OAM光束干扰机理构造的任意阶OAM光束复用方法可以应用于现有以及未来的无线激光通信系统中，以进一步提高特定环境下无线激光通信系统的有效性和可靠性。此外，本项目研究成果经过适当调整还可以应用于太赫兹OAM信号、等离子体OAM信号和声波OAM信号等。