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基于液晶空间光调制器的OAM复用通信综合补偿系统

基于液晶空间光调制器的OAM复用通信综合补偿系统

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作者：余晓雪中南民族大学

学位级别：硕士

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)光束作为信息载体在自由空间中复用传输时可以极大地提升通信频谱效率和信道容量。然而,在OAM光束传输系统中,一方面由于OAM光束在传输过程中会受到大气湍流影响,引起光束信号畸变,功率弥散,... 详细信息

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)光束作为信息载体在自由空间中复用传输时可以极大地提升通信频谱效率和信道容量。然而,在OAM光束传输系统中,一方面由于OAM光束在传输过程中会受到大气湍流影响,引起光束信号畸变,功率弥散,再加上光学器件不完美存在缺陷,光路搭建中也会不可避免的引入误差,导致通信信噪比不高。因此研究如何抑制大气湍流对OAM光束传输系统的影响,补偿和减小系统误差,提高OAM光束传输的质量,十分必要。本论文提出一种基于液晶空间光调制器的OAM复用通信综合补偿系统,将相位恢复算法与空间光调制器相结合,分别在发送端接收端对OAM光束的产生、OAM传输和OAM光束的解调过程中引起的畸变进行校正补偿,综合提高了OAM光束传输系统的传输质量。主要工作如下:(1)研究了在发送端液晶空间光调制器产生OAM光束时存在的畸变补偿。针对液晶空间光调制器反射面不平整导致的OAM光束相位畸变问题,将初始OAM光束光强信息作为初始值代入GS相位恢复算法,得到恢复以后的相位信息,补偿了由于反射面不平整导致的光束扭曲失真,提高了OAM光束质量。引入图像相似度作为指标,通过比较补偿前后OAM光束的二维光强分布与完美OAM光束的二维光强分布相似程度得知,单束OAM光对称性最多提高约37%,复用OAM光束对称性最多提高约28%。(2)研究了在大气中传输时单束OAM光和复用OAM光束受到的湍流畸变影响,获得OAM光束在不同大气湍流下的传输特性。利用大气湍流分层模型结合分次谐波法得到随机大气湍流相位屏,引入图像相似度作为指标,通过比较不同湍流强度下的OAM光束光强分布图与完美OAM光束光强分布图得知,湍流强度越大,OAM光束受到的影响越大,当湍流强度由1×10增加1×10到时,单束OAM光的强度和相位分布图像相似度分别减少3.9%,11.97%,复用OAM光的强度和相位分布图像相似度分别减少1.6%,0.63%。(3)研究对比了三种不同的抑制和补偿大气湍流引起的畸变的方法。引入螺旋功率谱和均方根误差作为指标,通过观察单束OAM光(+3)和复用OAM光(-3,+3)经过大气湍流后的功率弥散情况,分析比较了GS(Gerchberg-Saxton)算法、al(Multi-plane wave field reconstruction algorithm based on Augmented Lagrange technique)算法和SBMIR(Single-beam multiple-intensity phase reconstruction)算法三种算法在不同湍流强度下对OAM光束的补偿作用。通过将相位恢复算法与液晶空间光调制器相结合,利用易得到的光强信息恢复更为重要的相位信息。结果显示,在湍流强度为1×10和1×10时,单束OAM光经过GS算法补偿后无关功率弥散情况减少达50%以上,初始拓扑荷与无关拓扑荷的功率分布均方根误差减小约0.1;复用OAM光经过al算法补偿后,初始拓扑荷与无关拓扑荷的功率分布均方根误差减小约0.05;在湍流强度为1×10和1×10时,三种算法虽都在一定程度有补偿作用,但均方根误差降低程度均小于0.05且都无法正确识别初始拓扑荷数。(4)研究了在接收端液晶空间光调制器接收光束时存在的畸变补偿。经过算法补偿后的光束入射到液晶空间光调制器反射面上时,存在由于传输系统不完美导致的光束扭曲和相位畸变问题,采用与发送端同样的方案,利用GS相位恢复算法得到相位信息。通过比较补偿前后OAM光束的二维光强分布图与完美OAM光束的二维光强分布图的图像相似程度得知,单束OAM光对称性最多提高约42%,复用OAM光束对称性最多提高约49%。(5)研究分析了整个OAM传输系统综合补偿方案的补偿效果。OAM传输系统分别在发送端和接收端对OAM产生、传输、接收时存在的畸变进行综合补偿,整体提高OAM光束质量,通过比较综合补偿前后OAM光束的二维光强分布图与完美OAM光束的二维光强分布图的图像相似程度得知,单束OAM光对称性最多提高约21%,复用OAM光束对称性最多提高约18%。综上所述,利用相位恢复算法与液晶空间光调制器结合的方式,不仅校正了传输系统本身导致的畸变,而且补偿了大气湍流带来的光束畸变,这对降低大气湍流对OAM光束通信系统造成的畸变有重要意义,为研究如何补偿OAM光束通信系统的畸变提供了新的思路和理论参考。

关键词：涡旋光束相位恢复算法空间光调制器 GS算法 al算法 SBMIR算法

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