双路多进制涡旋光通信

　　摘 要 轨道角动量(Orbital Angular Momentum , OAM)作为一个全新的通信复用维度，在大气激光通信，卫星通信等领域有着广泛的应用价值。本文主要采用双路多进制 OAM 调制进 行信息的传输，利用两路多进制信号产生不同拓扑荷值的涡旋光束进行相干叠加，产生不同的光强图案，在接收端利用 CCD 相机记录下光强信息，通过光强信息可以识别不同的符号信息。采用双路四进制信息传输时，可以产生 16 种不同的光强图案，为了保证光强图案的 差异性，提出了一种基于光强相关性的编码方案，同时探索了大气湍流对于光强的影响，使 用 CNN 进行光强信息的识别能够显著提高大气湍流影响下的光强信息的识别率。

　　关键词 自由空间光通信;轨道角动量;涡旋光;卷积神经网络;大气湍流

　　1 引 言

　　激光具有高带宽而适合传输高速率的数据，但是它也容易受到的传输介质的影响。为了 减轻激光沿传播路径的恶化，可以利用光的各种独立特征[1]，比如光的空间相干性[2,3]、强 度、波长[4]和偏振[5,6]以及光的轨道角动量[7]。涡旋光束携带的轨道角动量(OAM)为光波的空 间域提供了新的维度资源，吸引了越来越多研究人员的关注。

　　机械论文范例：激光测量技术在工程机械领域的应用研究综述

　　由于具有不同 OAM 模式值的 涡旋光束相互正交，因此将 OAM 模式引入传统光通信领域，衍生出两种新的应用机制—— OAM 键控(OAM-SK)与 OAM 复用(OAM-DM)，这为未来实现高速、大容量及高频谱效率的 光通信技术提供了潜在的解决方案[8]。大多数的研究主要集中在激光在大气湍流和海洋湍流 的条件下传播，为了减弱湍流的影响，可以采用自适应光学技术[9]，恢复波前相位。深空光 通信，大气光通信在光通信领域有着广泛的研究和应用，本文主要集中在双路涡旋光编码和 大气湍流中的无线光通信的研究。

　　本文采用两路涡旋光相干叠加产生不同的光强图案，依照不同的光强图案携带不同的符 号信息，尽可能地利用不同符号之间的光强差异解调出所需要的信息。利用相干叠加的涡旋 光产生不同的光强图案，在接收端利用 CCD 相机记录下光强信息，对光强信息进行分类识 别就可以识别出光强所代表的符号信息。经典的方法中，可以采用干涉[10]、衍射[11]等方法 进行涡旋光模态的检测和识别，本文主要采用卷积神经网络的方法对 CCD 相机记录的光强 信息进行识别，从而得到具体的信息。

　　在本文的实验中，使用空间光调制器(SLM)来产生 OAM 光束[12]。本文首先给出了拉盖 尔高斯光束的理论推导，以及利用 SLM 产生 OAM 光束的方法。然后提出了一种双路多进制 的编码方法，以及如何选择涡旋光束进行叠加产生有效的光强图案，并且描述了大气湍流对 于涡旋光传输的影响，为了克服大气湍流对光通信的影响，利用卷积神经网络对 CCD 相机 记录的光强进行识别，并给出了所选模型下的训练结果，最后对本文的所采用的模型和方法 做了总结。

　　2 系统理论设计

　　2.1 拉盖尔高斯光束

　　涡旋光是一种具有螺旋相位波阵面的光束，轨道角动量可以有无限个本征态，所以理论 上单光子 OAM 可承载无穷多比特信息，这大大提高了通信系统容量和频谱利用率。常见的 涡旋光束有 LG 光束[13]、贝塞尔光束[14]和 HG 光束[15,16]。拉盖尔高斯光束是一种典型的涡旋 光束，是实验室最具有代表性的光束，可以由 SLM 加载相位图的方式产生。

　　3 信号解调

　　3.1 卷积神经网络

　　卷积神经网络(CNN)广泛用于图像的分类和识别，有着成熟的应用，因此在对接收端光 强的识别中使用卷积神经网络(CNN)的方式对光强进行分类。

　　在接收端，可以使用 CCD 相机 记录下光强值，可以使用一个基于 CNN 的图像识别器直接识别 CCD 相机捕获的光强信息 图。目前可以考虑的比较流行的CNN架构有AlexNet [23]，VGGNet [24]，ResNet[24]，VGG16[25]， VGG19[25]等，由于所使用的训练集比较简单，识别数目只有十六种，使用较简单的框架可以很好的满足精度的要求，使用较复杂的 CNN 架构对解调的实验结果影响并不是很大。CNN 框架的复杂度越高那么对于解调所使用的硬件的要求也更高，消耗的资源也更大。因此本文 种选择使用 VGG16 框架进行光强图像的识别。

　　4 总结

　　本文主要提出了一种基于多进制的 OAM 调制编码传输方法，利用光强信息识别符号， 通过 CNN 进行光强分类，能够准确获得光强所代表的信息，即使在大气湍流环境下也能够 有着很好的识别率，最终识别出符号所代表的信息。本文提出的多路复用理论上可以推广到 拓扑荷值更大，阶数更高的拉盖尔高斯光束，但是由于实验室实验设备的精度所限，对于更 高阶数的拓扑荷值更高的拉盖尔高斯光束，在远场衍射的过程中并不能很好地辨别出来光强 的信息，但是理论上可以推广到更高阶数的 OAM 光通信，这种复用方式能够很好地提高系 统容量，在光通信领域有着很好的应用价值。

　　参考文献

　　[1] Lee E J, Chan V W S. Part 1: optical communication over the clear turbulent atmospheric channel using diversity[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2004, 22(9):1896-1906.

　　[2] Wang F, Liu X, Cai Y. Propagation of Partially Coherent Beam in Turbulent Atmosphere: A Review[J]. Progress In Electromagnetics Research, 2015, 150:123-143.

　　[3] Lajunen H, Saastamoinen T. Propagation characteristics of partially coherent beams with spatially varying correlations[J]. Optics Letters, 2011, 36(20):4104-4106.

　　[4] Berman G P, Bishop A R, Chernobrod B M, et al. Suppression of Intensity Fluctuations in Free Space High-Speed Optical Communication Based on Spectral Encoding of a Partially Coherent Beam[J]. Optics Communications, 2007, 280(2):264-270.

　　[5] Xiao X, Voelz D. Wave optics simulation of partially coherent and partially polarized beam propagation in turbulence[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2009, 7464.

　　作者：南久航 1，韩一平 2*