光学轨道角动量及其在光通信中的应用

《光学轨道角动量及其在光通信中的应用》主要对光学轨道角动量(OAM)及其在光通信中的应用进行研究。《光学轨道角动量及其在光通信中的应用》共7章：第1章介绍了OAM模式复用技术的基本概念以及国内外研究现状；第2章给出了光学OAM的矢量场理论和典型的OAM光束及其性质；第3章推导了理想环状光纤中的OAM模式理论，并求解了对应的本征模式和OAM模式；第4章分别研究了非理想环状光纤中的OAM模式在椭圆和不同心两种微扰条件下的模式耦合问题；第5章提出并推导了可用来分析多模光纤中模式耦合与模式色散的密度矩阵理论；第6章给出了基于纯相位空间光调制器的OAM模式产生方法；第7章首先分析了大气以及光纤中模式复用传输时遇到的相位畸变和信号串扰问题，并提出了初步均衡与补偿方案，后对OAM模分复用系统的未来进行了展望。

《光学轨道角动量及其在光通信中的应用》主要对光学轨道角动量(OAM)及其在光通信中的应用进行研究。《光学轨道角动量及其在光通信中的应用》共7章：第1章介绍了OAM模式复用技术的基本概念以及国内外研究现状；第2章给出了光学OAM的矢量场理论和典型的OAM光束及其性质；第3章推导了理想环状光纤中的OAM模式理论，并求解了对应的本征模式和OAM模式；第4章分别研究了非理想环状光纤中的OAM模式在椭圆和不同心两种微扰条件下的模式耦合问题；第5章提出并推导了可用来分析多模光纤中模式耦合与模式色散的密度矩阵理论；第6章给出了基于纯相位空间光调制器的OAM模式产生方法；第7章首先分析了大气以及光纤中模式复用传输时遇到的相位畸变和信号串扰问题，并提出了初步均衡与补偿方案，后对OAM模分复用系统的未来进行了展望。

目录 
前言 
名词缩写表 
第1章 绪论 1 
1.1 光通信技术的发展背景 1 
1.2 光纤复用传输系统的发展历程与趋势 2 
1.2.1 光纤复用传输系统 2 
1.2.2 空分及模分复用技术 5 
1.3 OAM 模式复用关键技术 12 
1.3.1 光学 OAM 的基本概念 12 
1.3.2 OAM 模式的产生 14 
1.3.3 传输 OAM 模式的光纤结构 15 
1.3.4 OAM 模分复用集成器件 17 
1.3.5 OAM 模式的耦合与色散 18 
1.4 OAM 模分复用传输系统 19 
1.4.1 自由空间中的 OAM 模分复用传输系统 20 
1.4.2 光纤中的 OAM 模分复用传输系统 24 
参考文献 27 
第2章 光学轨道角动量理论 37 
2.1 光学轨道角动量 37 
2.1.1 亥姆霍兹方程和标量电磁波近似 37 
2.1.2 轨道角动量 39 
2.1.3 自旋角动量 42 
2.2 典型的 OAM 光束 43 
2.2.1 拉盖尔–高斯光束 44 
2.2.2 贝塞尔光束 45 
2.3 光学 OAM 的矢量场理论 53 
2.3.1 柱坐标下麦克斯韦方程组的贝塞尔解 53 
2.3.2 矢量电磁场的轨道和自旋角动量 58 
2.3.3 “±” 模式矢量贝塞尔光束的轨道和自旋角动量 60
2.3.4 TE/TM 模式矢量贝塞尔光束的轨道和自旋角动量 62 
2.4 附录 63 
2.4.1 贝塞尔函数及其性质 63 
2.4.2 单色波的贝塞尔光束展开 68 
2.4.3 贝塞尔光束的角频谱 69 
2.4.4 光场的轨道与自旋动量密度 70 
参考文献 72 
第3章 阶跃型环状光纤的 OAM 模式理论及光纤设计 73 
3.1 阶跃型环状光纤的 OAM 模式理论 73 
3.1.1 环状光纤的结构 73 
3.1.2 环状光纤模式的基础理论 75 
3.2 阶跃光纤模式的光学性质 80 
3.2.1 模式特征方程的数值求解 80 
3.2.2 传统光纤模式的场分布和色散曲线 83 
3.2.3 环状光纤模式的场分布和色散曲线 85 
3.3 OAM 模式光纤结构设计 88 
3.4 中心区域为驻波的环状光纤 93 
3.4.1 模式特征方程 93 
3.4.2 场分布和色散曲线 95 
参考文献 97 
第4章 环状光纤中的 OAM 模式耦合 99 
4.1 模式耦合的基础理论 99 
4.1.1 非理想光纤本征模式的微扰展开 99 
4.1.2 非理想光纤本征模式的傅里叶级数形式 105 
4.2 椭圆微扰下的模式耦合 109 
4.2.1 椭圆环状光纤本征模式的场分布 109 
4.2.2 椭圆微扰下的模式耦合 110 
4.2.3 不圆度对耦合的影响 113 
4.3 不同心微扰下的模式耦合 118 
4.3.1 不同心环状光纤本征模式的场分布 118 
4.3.2 不同心微扰下的模式耦合 118 
4.3.3 不同心度对耦合的影响 120 
参考文献 121 
第5章 模式耦合与色散的密度矩阵理论 123 
5.1 密度矩阵算符 124
5.1.1 偏振模色散的斯托克斯理论 125 
5.1.2 密度矩阵算符 129 
5.2 演化方程 132 
5.3 级联规则 141 
5.4 统计模型 147 
5.5 数值模拟 151 
5.6 附录——2 维模式空间中密度矩阵理论和斯托克斯理论的对应关系 158 
参考文献 165 
第6章 OAM模式的激励与干涉 168 
6.1 纯相位空间光调制器 168 
6.1.1 纯相位空间光调制器的结构 168 
6.1.2 纯相位空间光调制器的相位调制原理 169 
6.2 OAM 模式的激励 172 
6.2.1 OAM 模式激励原理 172 
6.2.2 OAM 模式激励实验 173 
6.3 OAM 模式与基模的干涉 179 
6.3.1 OAM 模式与基模的干涉原理 179 
6.3.2 OAM 模式与基模的干涉实验 180 
参考文献 181 
第7章 OAM 模分复用系统 184 
7.1 自由空间中 OAM 模分复用系统 184 
7.1.1 OAM 模式的相位畸变 185 
7.1.2 OAM 复用模式串扰 188 
7.1.3 自由空间中 OAM 模分复用系统展望 190 
7.2 OAM 模分复用光纤通信系统 191 
7.2.1 OAM 模分复用光纤通信系统发展趋势 191 
7.2.2 OAM 模分复用光纤通信系统接收端信号性能恢复方案 192 
7.2.3 OAM 模式在光纤中传输时的相位及串扰补偿 194 
参考文献 196

《光学轨道角动量及其在光通信中的应用》主要对光学轨道角动量(OAM)及其在光通信中的应用进行研究。《光学轨道角动量及其在光通信中的应用》共7章：第1章介绍了OAM模式复用技术的基本概念以及国内外研究现状；第2章给出了光学OAM的矢量场理论和典型的OAM光束及其性质；第3章推导了理想环状光纤中的OAM模式理论，并求解了对应的本征模式和OAM模式；第4章分别研究了非理想环状光纤中的OAM模式在椭圆和不同心两种微扰条件下的模式耦合问题；第5章提出并推导了可用来分析多模光纤中模式耦合与模式色散的密度矩阵理论；第6章给出了基于纯相位空间光调制器的OAM模式产生方法；第7章首先分析了大气以及光纤中模式复用传输时遇到的相位畸变和信号串扰问题，并提出了初步均衡与补偿方案，后对OAM模分复用系统的未来进行了展望。