可重构光场维度资源调控的基础理论及应用研究

论文摘要

光场的物理维度资源包括幅度、相位、时间、波长/频率、偏振、横向空间结构等。将这些维度通过调制或复用的方式应用于光通信可以有效提升系统的通信容量。为了实现对这些光场维度的利用,需要对其进行有效的操控。其中,针对波长/频率维度和空间维度的操控技术对未来可持续增长的容量需求非常重要。传统用来操控波长/频率维度的光学器件存在功能单一、调谐范围有限、无法实现光谱可重构等缺点,不利于光网络中的灵活管理。对于空间维度的操控,目前使用的光学元件存在占用空间大、操控精度低等不足,不利于实现紧凑高精度的空间光场操控。相比之下,硅基光子集成器件在结构紧凑、操控灵活等方面具有传统光学元件所不具备的优势。因此,为了解决光场维度操控中存在的关键问题,本文主要从集成器件对波长/频率维度的操控、传统光学元件和集成器件对空间维度的操控、空间维度复用技术在光通信中的应用等方面就这些问题展开了相关的理论及实验研究,具体内容如下:（1）理论和实验研究了基于硅基器件的波长/频率维度操控。（1）理论研究了级联微环滤波器的光谱响应。（2）提出并制备了一种可重构的微纳光子滤波器,通过适当选择滤波器的状态,可以实现滤波器谱型在梳状滤波和交织滤波之间灵活切换。此外,通过调节滤波器的结构参数,该滤波器可以实现消光比和中心波长的调谐。（2）理论和实验研究了基于传统光学元件和集成器件对空间维度的调控。（1）设计了基于超表面的贝塞尔激光器,利用超表面反射镜替换谐振腔中的传统光学元件,谐振腔结构更加紧凑。通过在谐振腔内部插入模式选择元件,激光器可以直接输出携带轨道角动量（OAM）的贝塞尔高斯光束。（2）实验构建了基于自由空间和光纤混合平台的OAM可重构波长可调谐激光器,利用自由空间中的空间光调制器（SLM）实现输出OAM可重构的激光束,利用光纤中的可调滤波器实现了激光器输出波长覆盖通信波段（C波段）。（3）设计、制备并测试了基于叉型光栅的片上OAM发射器,利用不同的光栅结构,实验产生了OAM+1、OAM+2、OAM+1和OAM-1的叠加态等多种空间模式,其中通过在OAM+1和OAM-1两路模式间引入相位差实现了叠加态方位角的可重构。（4）利用全息法设计、制备和测试了宽带偏振多样OAM发射器,通过不同端口入射片上波导模式,全息光栅可以将这些波导模式转换为自由空间的偏振多样OAM模式(x-pol.OAM+1,x-pol.OAM-1,y-pol.OAM+1,y-pol.OAM-1)。（5）利用反向设计方法设计了两种OAM发射器（偏振多样OAM发射器、多OAM态发射器）,基于这种方法设计的器件结构紧凑同时具有宽谱特性。相比于全息法得到的偏振多样OAM发射器,反向设计得到的OAM模式纯度更高,而多OAM态发射器能够产生4种不同拓扑电荷数的OAM模式(OAM+1,OAM-1,OAM+2,OAM-2)。（3）理论研究了空分复用的通信容量极限。首先介绍了空分复用的基本类型,以及光视线（LOS）通信系统的相关参数。针对三种具体的复用/解复用方式分析了各自的谱效率和有效自由度。进一步,将接收端的解复用复杂度对系统的影响考虑在内,结果表明OAM完美解调优于其他两种方式。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周南

导师: 王健

关键词: 光场维度,波长维度操控,硅基光子器件,空间维度操控,轨道角动量,超表面,全息光栅,反向设计,空分复用,自由空间光通信,谱效率,复杂度

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

基金: 国家重点基础研究发展计划(973):“基于光子轨道角动量(OAM)的新型通信体制研究”,项目编号:2014CB340004,国家自然科学基金面上项目:“超颖表面结构实现高密度分数阶轨道角动量光通信研究”,项目编号:11574001,国家自然科学基金面上项目:“利用轨道角动量实现信息操控的基础理论和关键技术研究”,项目编号:11274131,国家优秀青年科学基金项目:“多进制高速光信号处理”,项目编号:61222502,华中科技大学学术前沿青年团队项目,项目编号:2016QYTD05

分类号: O43

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000344

总页数: 136

文件大小: 8817K

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