自由空间轨道角动量新型光通信关键技术研究

The OAM-multiplexed free space optical communication links are capable of reliably transferring up to terabit with a higher spectral transmission efficiency. It is currently a hot topic in optical communication, where the methods to mitigate the interference caused by atmospheric turbulence (AT) are the key techniques. In the proposal, we do research on the methods to mitigate the interference caused by atomphseric turbulence by taking advantange of channel coding, multiuse detection and multiple-input-multiple-output (MIMO) equalization in information processing area, and orbital angular momentum (OAM) states, the crutial theory and experimental techniques in quantum optics. The details are the following: (1) Combining channel coding and wavefront correction method, we propose a turbulence mitigation OAM-multiplexed scheme to improve AT tolerance. In the scheme, we use channel codes to correct the burst and random errors caused by AT for a single OAM information-carrier, and use wavefront correction method to correct the 'crosstalk' interference between different OAM information-carriers. (2) Based on the above scheme, we design a multiuser detection method with misformed OAM states and a MIMO equalizer for OAM-multiplexed communication links to further decrease the channel interference caused by AT. (3) We present a feasible experimental scheme to improve AT tolerance of OAM-multiplexed communication links. The results are significant and valuable to the long-range practical free-space optical communication links.

自由空间轨道角动量（OAM）复用具有高的频带利用率和超高容量。在复用系统中大气湍流干扰的应对方法是其实用化关键技术之一，也是当前光通信领域研究的前沿和热点。本项目将信息处理领域中纠错编码、多用户检测和信道均衡等先进的信号处理技术和轨道角动量这一重要的量子光学理论相结合，研究如何应对基于OAM复用的通信链路信道干扰。具体地：（1）将信道编码与自适应技术相给合，研究克服复用系统中大气湍流引起的单OAM态强度减弱和OAM态间能量转移的方法，减少大气湍流对OAM态通信复用的信道干扰；(2)在此基础上，分别设计OAM态多用户检测和OAM态MIMO信道均衡方法，进一步降低大气湍流对复用信道的干扰；(3)从理论和实验上探索一种抗大气湍流干扰的OAM态通信复用方案。以上研究结果对实现自由空间长距离高速光通信具有重要的理论意义和实用价值。

自由空间基于轨道角动量(OAM)复用通信系统具有高频带利用率和超高容量。但是，大气湍流对OAM光束传输不可避免的干扰，降低了复用通信系统的性能。因此，本项目研究OAM复用通信系统中大气湍流干扰的应对方法，主要成果包括：1）研究不同OAM态在大气湍流或水下湍流下的传输特性，获得可更好抗湍流干扰的OAM态结构；2）针对OAM态特点和现有OAM态分离方法不足，提出了基于快速傅立叶变换的复用OAM态成分检测、基于法布里-珀罗（F-P）干涉的OAM态提取、基于极化-OAM杂合态的复用OAM态分离，和基于半径可变相位方法的OAM态提取等方法，通过数值仿真和实验验证所提出方法的有效性；3）研究减少湍流干扰的产生方法，提出将信道纠错编码技术和自适应光学技术相结合减少大气湍流对OAM态通信复用链路的干扰方法；4）研究信道干扰不可消除情形下降低干扰影响的方法，提出自由空间大气湍流干扰下OAM态通信复用链路“串扰”的等效变形OAM态多用户通信系统模型，获得基于解相关检测和最小误差检测等多用户检测方法抑制OAM态通信复用链路的干扰方法；5)提出利用MIMO信道均衡方法降低OAM系统发、收两端非对齐时所引起的系统性能影响的方案，给出恒模盲均衡算法和最小均方、递归最小二乘半盲均衡算法下OAM复用通信系统误码率的性能。6)提出基于空间分集的OAM态复用通信系统抗干扰方法，分析等增益分集合并方法和选择分集合并方法下的OAM复用通信系统性能。7)获得水下湍流的随机相位屏模型，通过相位结构函数以及OAM态在海洋湍流中传输特性验证随机相位屏模型的有效性；搭建水下湍流干扰下的OAM态通信链路的实验，分析BG-OAM态、LG-OAM态、分数OAM态和花瓣OAM态等在自由空间和水下湍流下的传输性能；以上研究结果对实现自由空间长距离高速光通信具有重要的理论意义和参考价值。