斜程大气湍流中高阶模Bessel涡旋波束OAM模式间串扰对光通信影响

The high order Bessel vortex beam is used in the free space optical communication (FSOC) system. The transmission security is ensured, while the amount of information and accuracy is higher. However, the turbulence effects cause the crosstalk of the orbital angular momentum (OAM) of the vortex beam, and the bit error rate increases, which greatly limits the transmission capacity of the FSOC system. Therefore, the study of the crosstalk mechanism is a hot and difficult problem in the current international science and technology.. In order to solve the problem of the crosstalk between OAM states, this project aims to study the OAM intermode crosstalk of the high-order mode Bessel vortex beam propagation in slant atmospheric turbulence channel, and to explore the effective way to reduce the bit error rate of the free space optical communication system. The distribution and transmission characteristics of the orbital angular momentum of the high-order mode Bessel vortex beam in the slant atmospheric turbulence based on the generalized Huygens-Fresnel principle; the formula of linear and nonlinear crosstalk basis function is induced, the high order Bessel orbital angular momentum crosstalk model is established under different atmospheric turbulence conditions. The influence of OAM inter-mode crosstalk on the communication system quality is analyzed. Finally, the orbit angular momentum preference and mode selection of low communication error rate under different conditions are proposed. This project research results will provide theoretical basis for the study of atmospheric turbulence suppression in vortex optical communication, and promote the development of free space optical communication.

高阶模贝塞尔(Bessel)涡旋光束用于自由空间光通信(FSOC)系统中，在保证安全性的同时信息量和准确性更高。然而，湍流效应使涡旋光束的轨道角动量(OAM)发生串扰，误码率增加，极大地限制了FSOC系统的传输容量。因此，串扰机理成为当今国际科技届研究的热点和难点。. 针对OAM模式的串扰问题，本项目拟开展斜程大气湍流中高阶模Bessel光束OAM串扰机理研究，探索降低FSOC系统误码率的有效途径。提出高效多层相位屏方法，基于广义惠更斯-菲涅尔原理研究斜程大气湍流上下行信道对高阶模Bessel光束OAM的影响；推导线性和非线性串扰基函数，建立OAM串扰模型；分析OAM模式间串扰对通信系统性能的影响，提出不同条件下低通信误码率的OAM优选态及模式选择。本项目的研究成果将为涡旋光通信大气湍流影响抑制技术的研究提供理论依据，促进FSOC的发展。

涡旋光通信是将涡旋光束的光子轨道角动量用于自由空间光通信中，丰富了通信系统的调制方式，增加了通信信道容量，能有效解决随着信息共享需求不断增长而带来的数据传输的潜在瓶颈。但是，携带信息的光束在大气中传输时会受到随机波动的大气湍流的影响使轨道角动量态发生串扰，导致传输系统整体性能下降，误码率增加。因此，轨道角动量模间串扰及检测成为当今国际通信领域研究的热点与难点之一。. 针对以上问题，项目以降低涡旋光束通信中轨道角动量模间串扰为研究目标，利用高效多相位屏方法、角谱展开及广义惠更斯-菲涅尔原理研究大气湍流信道中Bessel涡旋光束轨道角动量的串扰特性及其影响因素，突破相位畸变后Bessel光束轨道角动量检测的难题。取得的研究成果如下：. ① 根据功率谱反演法模拟出大气湍流不同强度及动态相位屏，研究斜程路径大气信道中Bessel光束传输时的光强分布、相位起伏、扩展和漂移效应。. ② 基于螺旋谱分析理论, 研究了聚焦及非聚焦Bessel涡旋光束在各向异性大气湍流中传输时的螺旋谱概率密度；并对比分析不同湍流和光束参数对聚焦与非聚焦涡旋光束接收功率的影响。. ③ 利用螺旋谱分析理论及广义惠更斯-菲涅尔原理，建立了在各向异性非Kolmogorov大气湍流环境下聚焦及非聚焦Bessel涡旋光束轨道角动量串扰模型。发现利用聚焦Bessel涡旋光束通信可以提高信噪比。. ④ 提出了用遮挡部分方位角光阑衍射法检测单一和复合涡旋光束轨道角动量；提出了利用卷积神经网络+GS算法相结合检测受大气湍流扰动后相位畸变的涡旋光束轨道角动量态检测的方法，为涡旋光束拓扑荷信息的检测提供一种新方法。. 本项目的研究成果为涡旋光通信大气湍流影响抑制技术的研究提供理论依据；可以促进星地激光通信、机载激光通信、大气激光通信和平流层激光通信等大气信道光通信的研究与发展。在国内外权威期刊发表SCI/EI收录论文8篇，培养硕士研究生7名。