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斜程湍流大气信道中的光束偏振起伏

作　者: 王元光
导　师: 张逸新
学　校: 江南大学
专　业: 光学工程
关键词: 湍流大气偏振起伏斜程信道量子光场高斯-谢尔量子光束
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

量子光通信系统因其信道信息容量大、传输速度快和能实现自由空间量子保密通信等优点,而成为量子通信领域人们研究的热点。光子偏振是量子保密编码的主要载体之一,因此深入研究量子光通信信道中光子偏振的湍流效应不仅具有理论意义,而且对采用偏振编码的光子保密通信系统设计也具有重要指导意义。本文研究了相干和高斯-谢尔线偏振量子束在斜程和水平湍流大气信道中传输时的偏振起伏问题。论文首先建立了湍流大气信道中传输光子束的产生和湮灭算符的数学模型;其次,通过已得到的产生和湮灭算符,导出了大气湍流系综统计平均的量子斯托克斯算子;再次,把自由空间传输量子光的量子偏振度推广到湍流大气介质系统;最后在所建量子偏振度模型的基础上,采用数值模拟的方法详细分析了线偏振相干量子光和线偏振高斯-谢尔量子光在湍流大气信道中传输时的偏振起伏规律。分别得出如下结论:1相干线偏振量子光束在斜程Von Karman湍流信道中传输时,偏振度随着光子数的增加而增加,随着湍流强度的增加而减小。光子束越接近单光子水平,光子束偏振起伏越严重,而当光子束的数密度足够大时,将出现类似于经典光场在湍流大气中传输时所得到的结果,即湍流大气引起的光场偏振起伏可以忽略。湍流强度越高、通信信道的天顶角越大或光子束频率越高,光子束偏振起伏效应越明显。2相干线偏振量子光在非Kolmogorov湍流大气信道中传输时,湍流的非Kolmogorov性是影响传输光子束偏振起伏的一个不可忽略的因素。像面光子束的量子偏振度会随着非Kolmogorov湍流功率谱系数α的增加而增加。同时量子光的偏振度随着湍流强度的增加而降低。量子偏振度随着相干长度增加而增加。同时发现量子光的波长和湍流的外尺度对偏振度的影响是可以忽略的。量子偏振度随着湍流内尺度和通信信道的天顶角的增加而增加。3偏振高斯-谢尔模量子光束在斜程非Kolmogorov湍流大气信道中传输时,量子偏振度与光源的横向相干长度ρ_s0、光束的束腰ω0、功率谱系数α及通信信道的天顶角θ有关。在大光源横向相干长度(ρ_s0 > 0.01m)的情况下,量子光的偏振度随着光源的束腰ω0,功率谱系数α的增加而增加,随着通信信道天顶角θ的增加而减小,高斯-谢尔模光束的波长对量子光偏振度的影响很小。在小光源的横向相干长度(ρ_s0 < 0.005m)的情况下,非Kolmogorov湍流功率谱系数α和通信信道天顶角θ对量子偏振度的影响是可以忽略的,而波长λ= 785nm所对应量子光束偏振的鲁棒性要比波长为λ= 632.8nm和λ= 1550nm的好。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 研究背景、目的和意义  8
  1.2 大气传输中光束偏振起伏效应的研究现状  8-10
  1.3 论文的主要内容  10-12
第二章湍流大气相关基础知识  12-26
  2.1 湍流大气  12-13
  2.2 湍流大气的基本性质  13-14
  2.3 湍流大气的相关参数  14-18
    2.3.1 湍流大气的外尺度  14-15
    2.3.2 湍流大气的内尺度  15
    2.3.3 湍流大气的折射率结构常数  15-18
  2.4 湍流大气的折射率功率谱模型  18-21
  2.5 湍流大气中光束的相位空间结构函数  21-22
  2.6 Rytov 近似和广义惠更斯-菲涅耳原理  22-26
    2.6.1 介质中的麦克斯韦方程  22-23
    2.6.2 Rytov 近似  23-24
    2.6.3 广义惠更斯-菲涅耳原理  24-26
第三章斜程湍流大气信道中的光束偏振起伏  26-50
  3.1 光束的偏振特性描述  26-27
    3.1.1 光的偏振态  26
    3.1.2 光的偏振度  26-27
  3.2 量子光束在斜程 Von Karman 湍流大气中传输时的偏振起伏  27-34
    3.2.1 光束的量子偏振特性描述  27-28
    3.2.2 量子光场在湍流大气信道中传输时的产生与湮灭算法  28-29
    3.2.3 湍流大气中的量子偏振度  29-30
    3.2.4 数值计算和分析  30-33
    3.2.5 小结  33-34
  3.3 量子光在非 Kolmogorov 湍流大气中传输时的偏振起伏  34-40
    3.3.1 理论模型  34
    3.3.2 数值计算和分析  34-39
    3.3.3 小结  39-40
  3.4 量子光在斜程非 Kolmogorov 湍流大气中传输时的偏振起伏  40-44
    3.4.1 理论模型  40
    3.4.2 数值计算和分析  40-44
    3.4.3 小结  44
  3.5 高斯-谢尔模量子光束在斜程湍流大气中传输时的偏振起伏  44-50
    3.5.1 理论模型  44-45
    3.5.2 数值计算和分析  45-47
    3.5.3 小结  47-50
第四章全文总结和展望  50-52
  4.1 本文总结  50-51
  4.2 研究工作展望  51-52
致谢  52-54
参考文献  54-58
附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文  58

斜程湍流大气信道中的光束偏振起伏

内容摘要

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