螺旋因斯-高斯光束海洋湍流信道传输与通信特性仿真研究

为了研究螺旋因斯-高斯(HIG)光束在海洋湍流信道下的传输与通信特性,首先基于随机相位屏法和功率谱反演法,仿真研究了HIG光束经过海洋湍流后的传输性能(光强分布、相位分布、闪烁指数、质心漂移和重叠)与传输距离之间的关系,而后基于对数正态强度概率密度函数进一步分析通信误码率性能。为实现最优传输与通信性能,优化分析HIG不同光束参数(椭圆度、阶数、度数)下的性能规律。仿真结果表明:与高斯光束相比,HIG光束在不同距离下都具有较好的抗湍流能力,其中在100 m海洋湍流信道中(ε=10^(-5)m^(2)∕s^(3),X_(T)=10^(-5)K^(2)∕s,ω=-0.15,η=10^(-3)m,L_(0)=10 m),闪烁指数降低58%,质心漂移降低53%,误码率降低3个数量级。随着湍流强度增加,HIG光束传输与通信性能降低,且相比高斯光束,HIG光束性能改善能力减弱:在相对弱湍流状态下,误码率改善约4个数量级;在相对强湍流状态下,误码率改善约1个数量级。且随着海洋湍流外尺度增加,HIG光束质心漂移小幅增加,其余参数几乎保持不变。经过优化可知,椭圆度、阶数、度数存在最优值,可提高通信性能和传输性能,其中阶数最为敏感。仿真研究结果将有可能为HIG光束应用于水下光通信提供理论依据和技术参考。

海洋湍流信道中因斯-高斯光束及信号传输特性实验研究

因斯-高斯(IG)光束在复杂信道传输中具有较好的抗干扰能力。为此设计并搭建了基于模拟海洋湍流信道的激光通信实验平台,详细研究IG光束在海洋湍流信道下光束信号的传输及通信特性。首先实验对比研究了不同海洋湍流强度条件下,IG光束和高斯光束传输后的光强闪烁指数、质心漂移和探测器接收功率情况;其次通过调制0.5~3 MHz频率的方波信号,进一步研究两种光束传输后调制信号波形失真特性;最后进行IG光束和高斯光束的7.5 Mbit/s通信性能对比实验。实验结果表明:IG光束的闪烁指数、质心漂移、功率抖动均优于高斯光束,且随着海洋湍流强度增加,IG光束闪烁指数和质心漂移改善能力增强,功率抖动改善能力降低。在不同模拟海洋湍流中,相同频率的IG光束调制方波波形失真度整体低于高斯光束。在误码率为3.8?10-3(前向纠错阈值)时,IG光束在不同注水高度信道、不同温度信道和不同盐度信道中的通信性能比高斯光束分别提高了0.8 dB、4 dB和2.5 dB。该实验结果可以为IG光束应用于水下激光通信提供参考。

小级数Ince-Gaussian光束光强模式分析

研究了因斯-高斯(IG)光束级数m较小时,分立光瓣模式的光强分布。通过数值模拟,对IG奇偶模式以及奇偶模式线性叠加生成的PIG分立光瓣模式的光强进行了分析。分析结果表明:m较小时,PIG分立光瓣模式光瓣的空间位置介于奇偶模式之间,但是光瓣的光强分布变化较为明显。同一模式光瓣角向椭圆变量越接近于椭圆长轴,其光强比重越大。在统一总光强后,相同阶数与级数的不同模式光瓣总光强与角向椭圆变量差为一个三次函数的关系。对于偶模椭圆长轴上的光瓣,随着该模式通过PIG^(π/2)模式转化为奇模,该光瓣上的光强分布逐渐由弥散向着逆时针方向集中。

双层花状光学涡旋晶格产生及特性研究

利用束腰半径不同的奇模和偶模因斯高斯光束同轴叠加,产生了一种双层花状光学涡旋晶格,通过实验与数值模拟对所提出的双层花状光学涡旋晶格进行分析研究。结果表明:由束腰半径不同的奇模和偶模因斯高斯光束叠加而成的光学涡旋晶格中的涡旋呈单层或双层分布,且不同层涡旋点的拓扑荷值大小相等,符号相反;当奇偶模因斯高斯光束之间的束腰半径差距逐渐减小,涡旋分布由双层变为单层;此外,可以通过改变奇偶模因斯高斯光束之间的相位差,实现涡旋符号的调控。该研究结果极大地丰富了光学涡旋晶格的空间模式分布,在微粒操纵领域有着潜在应用。