涡旋光束的大气传输特性
【中科院光电所沈锋研究员团队】

 

随着信息时代的推进,互联网产业得到了巨大的发展,数据流量的增长速度越来越快。因此,更大的信息容量和更快的传输速度成了当今通讯产业的重要发展方向。目前,通常使用频分、时分、波分和偏振等信道复用方式提高通信系统的频谱效率和信道容量,这些技术在空间光通信的发展历史上发挥着巨大的作用。然而,随着流量的爆发式增长,这些传统复用方式不再能够提供更高的信号容量和频谱效率。因此,急需全新的复用技术对空间光通信系统进行革新。

涡旋光束能利用其具有的轨道角动量为信道提供全新的复用维度。就理论上而言,每一个波长的涡旋光束具有的轨道角动量可以是无穷且与其他轨道角动量的涡旋光束相互正交的。除此之外,涡旋光束的轨道角动量与波长和偏振态彼此独立。于是,涡旋光束的轨道角动量复用技术可以与波分复用、偏振复用等传统复用技术相结合,大大提高系统的通信容量。

当涡旋光束在大气湍流中传输时,光束受到大气湍流的扰动,光束质量严重下降。因此需要对涡旋光束的大气传输特性进行系统的研究,为以后基于涡旋光束的空间光通信系统的发展提供理论依据。

光电技术研究所沈锋研究员团队提出了使用涡旋光束拓扑荷数探测概率的解析理论模型来表征涡旋光束在大气湍流中的传输特性。以典型的涡旋光束——拉盖尔-高斯涡旋为例,通过研究涡旋光束在大气湍流中传输时的旋转相干函数的变化规律,总结了其在大气湍流中传输时各轨道角动量模式之间的串扰情况。在使用涡旋光束拓扑荷数探测概率描述串扰规律时,推导出了拓扑荷数探测概率的解析表达式。通过对解析理论模型的进一步分析,研究了涡旋光束通过湍流后的各轨道角动量模式的分布情况,并将结果与涡旋光束通过大气随机相位屏的数值仿真结果进行了对比,验证了推导的拓扑荷数探测概率解析表达式的正确性。

通过该解析理论模型可进一步研究大气湍流与涡旋光束相互作用,从而解释大气湍流引起的涡旋光束轨道角动量散射的原因,为在基于涡旋光束的空间光通信系统中选择合适的拓扑荷数间隔,以及在不同湍流强度下选择合适束腰大小以减少串扰带来的误码率提供了理论依据。

图1 本征拓扑荷数为1的涡旋光束在大气折射率结构常数为 Cn2 =5×10-14 m-2/3
的大气湍流中传输1 km后,光束中各拓扑荷数的仿真探测概率和理论探测概率


图2 拓扑荷数为1的涡旋光束经过湍流大气后与邻近拓扑荷数
的串扰情况随相干性参数 ζ 的变化

研究团队简介

中国科学院光电技术研究所沈锋研究员团队长期从事光学工程系统理论和技术的研究,研究领域为激光传输、变换和控制技术,激光相干合束技术、微光波前测量技术等。近年来开始关注涡旋光束的产生、传输及检测方面的技术研究,并为此组建了一支充满活力的研究团队。沈锋研究员作为课题负责人,负责完成多项国家高技术项目的研究工作,目前从事重大项目的研究。近年来,获得国家科技一等奖1项,科学院杰出科技奖1项,部委科技进步一等奖3项,发表学术论文三十余篇,授权发明专利5项。

相关论文

张利宏, 沈锋, 兰斌. 涡旋光束轨道角动量在大气湍流传输下的特性分析[J]. 光电工程, 2020, 47(4): 190272.

DOI:10.12086/oee.2020.190272