摘 要 軌道角動量(Orbital Angular Momentum , OAM)作為一個全新的通信復用維度，在大氣激光通信，衛星通信等領域有著廣泛的應用價值。本文主要采用雙路多進制 OAM 調制進 行信息的傳輸，利用兩路多進制信號產生不同拓撲荷值的渦旋光束進行相干疊加，產生不同的光強圖案，在接收端利用 CCD 相機記錄下光強信息，通過光強信息可以識別不同的符號信息。采用雙路四進制信息傳輸時，可以產生 16 種不同的光強圖案，為了保證光強圖案的 差異性，提出了一種基于光強相關性的編碼方案，同時探索了大氣湍流對于光強的影響，使 用 CNN 進行光強信息的識別能夠顯著提高大氣湍流影響下的光強信息的識別率。

　　關鍵詞 自由空間光通信;軌道角動量;渦旋光;卷積神經網絡;大氣湍流

　　1 引 言

　　激光具有高帶寬而適合傳輸高速率的數據，但是它也容易受到的傳輸介質的影響。為了 減輕激光沿傳播路徑的惡化，可以利用光的各種獨立特征[1]，比如光的空間相干性[2,3]、強 度、波長[4]和偏振[5,6]以及光的軌道角動量[7]。渦旋光束攜帶的軌道角動量(OAM)為光波的空 間域提供了新的維度資源，吸引了越來越多研究人員的關注。

　　機械論文范例：激光測量技術在工程機械領域的應用研究綜述

　　由于具有不同 OAM 模式值的 渦旋光束相互正交，因此將 OAM 模式引入傳統光通信領域，衍生出兩種新的應用機制—— OAM 鍵控(OAM-SK)與 OAM 復用(OAM-DM)，這為未來實現高速、大容量及高頻譜效率的 光通信技術提供了潛在的解決方案[8]。大多數的研究主要集中在激光在大氣湍流和海洋湍流 的條件下傳播，為了減弱湍流的影響，可以采用自適應光學技術[9]，恢復波前相位。深空光 通信，大氣光通信在光通信領域有著廣泛的研究和應用，本文主要集中在雙路渦旋光編碼和 大氣湍流中的無線光通信的研究。

　　本文采用兩路渦旋光相干疊加產生不同的光強圖案，依照不同的光強圖案攜帶不同的符 號信息，盡可能地利用不同符號之間的光強差異解調出所需要的信息。利用相干疊加的渦旋 光產生不同的光強圖案，在接收端利用 CCD 相機記錄下光強信息，對光強信息進行分類識 別就可以識別出光強所代表的符號信息。經典的方法中，可以采用干涉[10]、衍射[11]等方法 進行渦旋光模態的檢測和識別，本文主要采用卷積神經網絡的方法對 CCD 相機記錄的光強 信息進行識別，從而得到具體的信息。

　　在本文的實驗中，使用空間光調制器(SLM)來產生 OAM 光束[12]。本文首先給出了拉蓋 爾高斯光束的理論推導，以及利用 SLM 產生 OAM 光束的方法。然后提出了一種雙路多進制 的編碼方法，以及如何選擇渦旋光束進行疊加產生有效的光強圖案，并且描述了大氣湍流對 于渦旋光傳輸的影響，為了克服大氣湍流對光通信的影響，利用卷積神經網絡對 CCD 相機 記錄的光強進行識別，并給出了所選模型下的訓練結果，最后對本文的所采用的模型和方法 做了總結。

　　2 系統理論設計

　　2.1 拉蓋爾高斯光束

　　渦旋光是一種具有螺旋相位波陣面的光束，軌道角動量可以有無限個本征態，所以理論 上單光子 OAM 可承載無窮多比特信息，這大大提高了通信系統容量和頻譜利用率。常見的 渦旋光束有 LG 光束[13]、貝塞爾光束[14]和 HG 光束[15,16]。拉蓋爾高斯光束是一種典型的渦旋 光束，是實驗室最具有代表性的光束，可以由 SLM 加載相位圖的方式產生。

　　3 信號解調

　　3.1 卷積神經網絡

　　卷積神經網絡(CNN)廣泛用于圖像的分類和識別，有著成熟的應用，因此在對接收端光 強的識別中使用卷積神經網絡(CNN)的方式對光強進行分類。

　　在接收端，可以使用 CCD 相機 記錄下光強值，可以使用一個基于 CNN 的圖像識別器直接識別 CCD 相機捕獲的光強信息 圖。目前可以考慮的比較流行的CNN架構有AlexNet [23]，VGGNet [24]，ResNet[24]，VGG16[25]， VGG19[25]等，由于所使用的訓練集比較簡單，識別數目只有十六種，使用較簡單的框架可以很好的滿足精度的要求，使用較復雜的 CNN 架構對解調的實驗結果影響并不是很大。CNN 框架的復雜度越高那么對于解調所使用的硬件的要求也更高，消耗的資源也更大。因此本文 種選擇使用 VGG16 框架進行光強圖像的識別。

　　4 總結

　　本文主要提出了一種基于多進制的 OAM 調制編碼傳輸方法，利用光強信息識別符號， 通過 CNN 進行光強分類，能夠準確獲得光強所代表的信息，即使在大氣湍流環境下也能夠 有著很好的識別率，最終識別出符號所代表的信息。本文提出的多路復用理論上可以推廣到 拓撲荷值更大，階數更高的拉蓋爾高斯光束，但是由于實驗室實驗設備的精度所限，對于更 高階數的拓撲荷值更高的拉蓋爾高斯光束，在遠場衍射的過程中并不能很好地辨別出來光強 的信息，但是理論上可以推廣到更高階數的 OAM 光通信，這種復用方式能夠很好地提高系 統容量，在光通信領域有著很好的應用價值。

　　參考文獻

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　　[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，韓一平 2*