涡旋光复用链路远距离稳定通信关键技术基础研究

Achieving higher channel capacity is one of the major concerns in the field of laser communication. Currently, technologies such as modulation coding, wavelength division multiplexing and polarization division multiplexing have almost reached their limits. Researching the new module division multiplexing technologies is undoubtedly the most effective way to further increase channel capacity and spectrum efficiency. The vortex beam with orbital angular momentum (OAM) has been proved theoretically and experimentally to be used to achieve module division multiplexing to double the channel capacity. However, the OAM mode is a spatial modal distribution whose wavefront phase distribution is important to ensure modal purity and orthogonality. This project focuses on the problems of beam divergence, drift and atmospheric turbulence in the long-distance optical communication links based on OAM vortex beams, analyzing the mechanism of OAM vortex partial reception on the performance of communication systems, researching the OAM vortex drift generation mechanism and real-time detection method, proposing the on probe-free OAM vortex wavefront distortion detection technology based on interference method. The research results of this project are of great significance to improving the channel capacity and exploring the limit of the optical communication system.

实现更高的信道容量是激光通信领域的主要研究热点之一，在调制编码、波分复用和偏振分复用等技术都已发挥到了极致的现阶段，发展新的模分复用技术无疑成为进一步提升信道容量和频谱效率最有效的途径。具有轨道角动量（OAM）的涡旋光束通过理论和实验已经被证明可用于实现模分复用来成倍提升信道容量，然而，OAM模态是一种空间模式分布，其波前相位分布对于确保模态纯度和正交性至关重要。本项目针对基于OAM涡旋光束远距离光通信链路存在光束发散、漂移以及大气湍流等问题，开展相关研究工作，重点包括建立分析OAM涡旋光部分接收对通信系统性能影响机理的理论模型、OAM涡旋光漂移的产生机理及实时检测方法研究、基于干涉法的无探针OAM涡旋光波前畸变探测技术研究。项目研究成果对提高光通信系统信道容量、探索逼近信道容量极限的方法具有重要意义。

在通信领域，实现更高的信道容量具有非常重要的意义，在调制编码、波分复用和偏振分复用等技术都已发挥到逼近极限的现阶段，发展新的模分复用技术无疑成为进一步提升信道容量和频谱效率最有效的途径。具有轨道角动量（OAM）的涡旋光束通过理论和实验已经被证明可用于实现模分复用来成倍提升信道容量，然而，OAM模态是一种空间模式分布，其波前相位分布对于确保模态纯度和正交性至关重要。本项目针对基于OAM涡旋光束远距离光通信链路构建中存在光束发散、跟踪误差和大气湍流效应等问题，开展相关研究工作，项目成果包括：.1、推导了LG涡旋光束环宽的一般表达式以及内外环半径、内外环半径比、环面积和光束发散的简明表达式，将有助于研究人员更好地理解LG涡旋束，并为基于OAM涡旋光束的高速激光通信链路设计提供指导。.2、提出了基于错位自参考干涉法的涡旋光束捕跟技术，实现快速、准确、实用的OAM涡旋光束漂移探测和校正，该技术为空间涡旋光束光通信链路构建奠定基础。.3、推导了涡旋光束拓扑荷数探测概率的解析表达式，阐明大气湍流与涡旋光束相互作用从而影响涡旋光束轨道角动量散射的本质。以拓扑荷数探测概率计算OAM模间串扰为判定指标，指导低误码率OAM涡旋光束通信链路设计。.4、提出了基于哈特曼探测器的涡旋光束畸变相位直接探测技术，实现了高帧频（≥1600Hz）、高精度（与平面光哈特曼探测器精度一致）的无探针涡旋光束波前畸变相位直接探测，为空间涡旋光束光通信链路实用化奠定基础，且该技术可拓展应用于其他相位分布中心对称的特殊结构光场光束。.5、提出了基于连续镜面变形镜生成模式可调的涡旋光束，可用于高功率涡旋光束生成，该技术将为远程涡旋光束光通信或其他高功率涡旋光束应用提供光源条件。.本项目研究成果为基于OAM涡旋光束的高速激光通信技术的推广和应用奠定基础。