完美涡旋光束在海洋湍流中的传输特性开题报告

一、文献综述与调研报告：（阐述课题现状及发展趋势，课题的价值、参考文献）

本课题的现状及发展趋势：

1833年，Whewell^[1]首先发现了潮汐波中有奇点的存在。之后Richards和Boivin等人^[2,3]发现有异常的环状光斑会出现在一个透镜的聚焦面处后，验证了在光波场中确实存

有涡旋现象，人们开始认识并逐步研究光学涡旋现象。

1963年,Duntley发现,在海水中,波长为450nm到550nm的蓝绿光谱具有相对低衰减特性^[4]。

1977年,来自California大学劳伦斯-摩尔实验室的研究人员提出了一种从岸上到潜艇的单向光通信系统^[5]。

1974年，Nye等人^[6]通过理论证明，当有限的波列向不同方向运动并相互干扰时，就会出现位错，与在不完全晶体中发现的位错极为相似，说明波列中存在奇点。

1989年，Coullet等人^[7]发现，在Fresnel数较高的激光腔内会出现和超流体相似的涡旋现象，腔内存在强度为零的奇点，当光束绕奇点一周时，相位变动了2π。他们首次对“光学涡旋”这一概念进行了定义，并在Maxwell-Bloch模型的框架下研究了这种光学涡旋。

1990年左右,Puschell等人证明了从潜艇到飞机的双向激光通信链路的可行性,相比其他技术,具有低功耗、低风险的优势^[8]。

1992年，Law和Swartzlander^[9]通过实验发现在非线性折射介质中具有光涡流孤子。利用暗孤子条纹的不稳定性，对具有相反拓扑荷数的一对光束进行了分析，发现光涡流孤子在传播途中和非线性折射介质会相互影响，这对研究光学涡旋的传输具有重大意义。同年，Allen等人^[10]首次通过公式推导出了相位因子为exp(ilθ)的涡旋光束在传输时具有确定的轨道角动量l(为约化普朗克常数)。

1995年，He和Friese等人^[11]利用计算机生成全息图，在环形光束暗斑处捕获到了反射粒子。发现被捕获的粒子由于吸收了OAM而发生了旋转现象，粒子旋转的方向由螺旋波前决定，旋转方向可控，当改变相位奇点时旋转方向发生变化。这实现了涡旋光束对粒子的捕获操纵。

2004年,Gibson等人利用二维达曼光栅实现了对多种OAM模式的涡旋光束的探测^[12]。

2010年,Berkhout等人提出了一种基于坐标变换的OAM分离方案用于同时对多OAM模式的祸旋光束进行分离探测^[13]。同时，一些水下光通信产品开始商业化,比如信息传输速率为20Mbps、传输距离为200m的BlueComm水下光通信系，信息传输速率为10Mbps、传输距离为40m的Ambalux水下光通信系统^[14，15]。

2013年,MohammadMirhosseini等人结合Berkhout的光束复制(FAN-OUT)系统与坐

标变换系统,对基于坐标变换的OAM分离方案进行了改进^[16]。

2015年,Wang等人先后利用叠加的叉形光栅将携带有不同OAM的涡旋光束分离到探测平面不同的位置实现对涡旋光束的探测^[17]。

2016年,Ren等人通过实验证明了在真实大气弱湍流下,一条120米的400Gbit/s的OAM复用自由空间光(FreeSpaceOptical,FSO)链路的可行性^[18]。Trichili等人将100多个OAM模式复用来提高信道容量。同年,Baghdady等人利用空分复用技术将通过实验证明了在从纯海水到近岸海洋的不同信道环境模型中,一条采集速率为2.5Gbit/s、传输距离为2.96m的OAM正交复用链路的可行性^[19]。Baghdady等人利用SDM技术将两个OAM进行复用并在无湍流的2.96m水箱中传输,实现了信息采集速率为3Gbit/s的水下光通信^[20]。

2017年，柯熙政等人^[21]实验研究了一种利用少模光纤生成l=1的涡旋光束的方法，此方法不仅提高了系统的性能，并且降低了系统的成本。

2018年，Cisowski等人^[22]实验证明了不对称的涡旋光束在FSO中传播时，其携带的OAM可以互相影响。他们采用Fresnel双棱镜使其中的一束光分裂，结果产生了一对互补的不对称涡旋光束。在传播过程中，发现了在传播主轴附近光场的横向剖面可以发生旋转，它的旋转方向由轨道动量流决定，此研究可用于粒子操纵领域。

2018年，Cheng等人^[23]提出了一种基于不同模式的多用户接入方案，该方案将多个模式利用一种新的正交维度进行输入，因此可以避免干扰。仿真结果揭示了OAM波的固有特性，表明基于OAM的无线传输可以显著提高无线网络的频谱效率。

本课题的价值：

尽管光学涡旋已经进行了很多相关的研究，但其在海洋通信方面还有待更深入研究。利用OAM提升系统信道容量的方法容易受到海洋信道中各种因素的限制。吸收、散射、混浊度、水流速度、温度和盐度等湍流因素^[19,20]的存在会导致OAM光束能量衰减或扩散到其它OAM模式上,这种现象称为模式串扰,从而减少了系统的信道容量,降低系统的频谱效率^[24]。因此,研究涡旋光束在海洋湍流信道中的传播特性是非常必要的。

参考文献：

【1】Whewell W. Essay towards afirst approximation to a map of cotidal lines[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1833, 3(1): 188-190.

【2】Richards B, Wolf E. Electromagnetic Diffraction in Optical Systems. II. Structure of the Image Field in an Aplanatic System[J]. Proceedings of the Royal Society of London A, 1959, 253(1274): 358-379.

【3】Boivin A, Dow J, Wolf E. Energy Flowin the Neighborhood of the Focus of a Coherent Beam[J]. Journal of the Optical Society of America, 1967, 57(10): 1171-1175.

【4】DuntleySQ.LightintheSea[J].JournaloftheOpticalSocietyofAmerica,1963, 53(2):214-233

【5】CallahamM.Submarinecommunications[M].IEEEPress,1981.

【6】Nye J F, Berry M V. Dislocations in Wave Trains[J]. Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical Engineering Sciences, 1974, 336(1605): 165-190.

【7】Coullet P, Gil L, Rocca F. Optical vortices[J]. Optics Communications, 1989, 73(5): 403-408.

【8】PuschellJJ,GiannarisRJ,StottsL.TheAutonomousDataOpticalRelayExperiment:firsttwowaylasercommunicationbetweenanaircraftandsubmarine[C]//TelesystemsConference,1992.NTC-92.National.IEEE,1992:14/27-14/30.

【9】LawC, Swartzlander G. Optical vortex solitons observed in Kerr nonlinear media[J].Physical Review Letters, 1992, 69(17): 2503-2506.

【10】Allen L, Beijersbergen M W, Spreeuw R J, et al. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes[J]. Physical review A, 1992, 45(11): 8185-8189.

【11】He H, Friese M E J, Heckenberg N R, etal. Direct Observation of Transfer of Angular Momentum to Absorptive Particles from a Laser Beam with a Phase Singularity[J]. Physical Review Letters, 1995, 75(5): 826-829.

【12】GibsonG,CourtialJ,PadgettM,etal.Free-spaceinformationtransferusinglightbeamscarryingorbitalangularmomentum[J].OpticsExpress,2004,12(22):5448.

【13】BerkhoutGC,LaveryMP,CourtialJ,etal.Efficientsortingoforbitalangularmomentumstatesoflight[J].PhysicalReviewLetters,2010,105(15):153601.

【14】FashamS,DunnS.Developmentsinsubseawirelesscommunications[C]//UnderwaterTechnology.IEEE,2015:1-5.

【15】KhalighiMA,GabrielC,HamzaT,etal.Underwaterwirelessopticalcommunication;recentadvancesandremainingchallenges[C]//InternationalConferenceonTransparentOpticalNetworks.IEEE,2014:1-4.

【16】MirhosseiniM,MalikM,ShiZ,etal.Efficientseparationoftheorbitalangularmomentumeigenstatesoflight[J].NatureCommunications,2013,4(7):2781.

【17】LiS,WangJ.Simultaneousdemultiplexingandsteeringofmultipleorbitalangularmomentummodes[J].SciRep,2015,5:15406.

【18】RenY,WangZ,LiaoP,etal.Experimentalcharacterizationofa400Gbit/sorbitalangularmomentummultiplexedfree-spaceopticallinkover120m[J].OpticsLetters,2016,41(3):622.

【19】BaghdadyJ5MillerK,OsierS,etal.Blue-lightdigitalcommunicationinunderwaterenvironmentsutilizingorbitalangularmomentum[C]//SPIEDefenseSecurity.2016:98270G.

【20】BaghdadyJ,KellyJ,MillerK,etal.UnderwateropticalcommunicationlinkusingOrbitalAngularMomentumspacedivisionmultiplexing[C]//Oceans.IEEE,2016:1-4.

【21】柯熙政,葛甜.利用少模光纤产生涡旋光的实验[J].中国激光, 2017, 44(11):

【22】CisowskiCM, Correia R R B. Splitting an optical vortex beam to study photonic orbit–orbit interactions[J]. Optics Letters, 2018, 43(3): 499-502.

【23】Cheng W, Zhang W, Jing H, et al. Orbital Angular Momentum for Wireless Communications[J]. IEEE Wireless Communications, 2018, 26(1): 100-107.

【24】ChengM,GuoL,LiJ,et al.PropagationofanopticalvortexcarriedbyapartiallycoherentLaguerre-Gaussianbeaminturbulentocean[J].AppliedOptics,2016,55(17):4642.