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单光束相干光通信中的偏振光传输机理研究

王超  
【摘要】:在相干光通信系统中,光源的制备以及光束在大气湍流中的传输特性一直是国内外空间光通信研究的热点。本文提出了两种特殊的光源制备方案,对于部分相干平顶光制备系统,研究了该系统中的径向高斯谢尔阵列光(Radial Gaussian Shell-Model Array beam,RGSMA)和光束整形等方法获取的部分相干平顶光(Partially Coherent Flat-Topped beam,PCFT)在非 Kolmogorov 大气湍流条件下的传输机理。主要研究内容如下:首先,提出了一种基于角锥谐振腔互注入相干合成制备平顶光束的方案,利用径向阵列光的自耦合特性合成平顶光,通过角锥谐振腔互注入锁相提高了光束的合成效率。另外,分析了系统参数对合成光束的影响。用合成光质量评价标准,结合遗传学算法(Genetic Algorithm,GA)优化系统参数,当阵列光的填充因子为0.82,光束腰束半径为2mm时,能合成较高质量平顶光。设计了一种涡旋可控涡旋光发射器微结构,详细描述了整个微结构的组成,理论分析了各个模块的作用。其次,搭建了光纤耦合分束实验平台制备径向阵列光,利用CCD探测该光束在传播过程中光斑变化。实验结果表明:径向阵列光在传播过程中,由一开始相互独立的六束光相干合成一束光。说明了利用径向阵列光的自耦合特性实现相干合成平顶光的可行性。最后,介绍大气湍流的基本理论,简要地列举了目前研究大气湍流时常用的几种功率谱模型。分析了大气湍流对偏振光的偏振特性影响及在传播过程中带来的闪烁效应和漂移特性对光通信系统的影响。然后推导得到RGSMA光束和PCFT光束在非Kolmogorov大气湍流条件下的交叉谱密度矩阵,结合偏振-相干统一理论通过数值分析的方法讨论了它们在大气湍流条件下偏振特性差异性。具体研究了湍流强度、尺度及光源参数对RGSMA光束的偏振度和偏振态的影响。接着构建了大气湍流低频补偿相位屏,通过模拟研究,比较了它们在非Kolmogorov湍流条件下传播过程中的闪烁特性和漂移特性。研究表明:RGSMA光束在传播过程中有更强的抵御退偏效应能力,在闪烁特性方面与PCFT光束几乎一样,而漂移特性上RGSMA光束抗干扰能力更强。与光束整形等方法获取的部分相干平顶光质量比较,本文的部分相干平顶光制备系统更适用于单光束相干光通信系统。


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