【摘 要】
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由于无线网络拥堵日益加剧,利用近红外光束进行自由空间通信的光无线通信正受到越来越多的关注。光无线通信可以提供超高传输速率和超大的传输容量,并且能与当前的光纤入户网络兼容。为了提高传输系统效率和实用性,需要利用广播技术使得分布在室内不同区域的多个用户同时接收来自基站的光信号。本文研究了室内光无线通信中的广播技术,主要工作内容和研究成果如下:（1）针对点对点室内光无线通信效率较低的问题,验证了一种基于
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由于无线网络拥堵日益加剧,利用近红外光束进行自由空间通信的光无线通信正受到越来越多的关注。光无线通信可以提供超高传输速率和超大的传输容量,并且能与当前的光纤入户网络兼容。为了提高传输系统效率和实用性,需要利用广播技术使得分布在室内不同区域的多个用户同时接收来自基站的光信号。本文研究了室内光无线通信中的广播技术,主要工作内容和研究成果如下:（1）针对点对点室内光无线通信效率较低的问题,验证了一种基于硅基液晶和Gerchberg-Saxton（GS）算法的光无线广播技术。首先对硅基液晶器件的相位调制特性、损耗特性和时间稳定性进行了实验验证。随后阐述了GS算法用于产生广播光束的原理,计算得出了各种广播方案时的相位分布,并利用计算机全息技术产生了相应的灰度图。最后运用GS算法和硅基液晶器件,成功将速率为10Gb/s的不归零（Non-Return-to-Zero,NRZ）信号传输2m自由空间。同时接入系统的用户数为三个,则接收端的广播速率为10Gb/s×3=30Gb/s。（2）针对基于GS算法的室内光无线通信系统重构时间较长的问题,提出了一种基于硅基液晶和旋转分裂（Rotated-Splitting,RS）算法的光无线广播技术。RS算法可以简单、快速的产生二维分布的广播光束。对比GS算法,RS算法生成相位分布的时间从56.2ms缩短到3.5ms。采用一对大束腰的光学准直器作为发射准直器和接收准直器,使得系统的空间传输距离大大增加。成功将速率为60Gb/s的四阶脉冲幅度调制（4-Pulse Amplitude Modulation,PAM-4）信号传输14m自由空间。同时接入系统的用户数为四个,则接收端的广播速率为60Gb/s×4=240Gb/s。（3）针对如何大幅提高室内光无线通信系统接入用户数目的问题,提出了一种基于硅基液晶和改进型RS算法的光无线广播技术。改进型RS算法可以简单、快速的产生数量巨大的广播光束,每个光束都可以根据用户的位置进行二维任意偏转。为了扩大视场角,设计了一个由两个聚焦透镜组成的角度放大模块,并在发射端和接收端采用了一对束腰匹配的光学准直器,降低了系统复杂度。基于上述算法和光学设计,完成了视场角为30°、接入用户数为16的链路设计,将速率为92Gb/s的PAM-4信号传输1.2m的自由空间,则接收端的广播速率为92Gb/s×16=1.47Tb/s。（4）针对如何实现大视场角、高接入用户数目的室内双向光无线通信系统的难题,提出了一种基于超表面的光无线广播技术。该超表面芯片可以把入射光束均分为14个子光束,其中包含左旋偏振光7束,右旋偏振光7束。信号下行传输时,每个子光束传输包含10个波长的波分复用（Wavelength Division Multiplexing,WDM）信号、每个波长调制10Gb/s的NRZ信号,则下行传输的广播速率高达1.4Tb/s（10Gb/s×10×14）。接收端10个波长的功率损耗波动小于1.6d B,表明该系统能够提供稳定的WDM信号传输。通过改变入射光为左旋偏振或者右旋偏振,可以将信号切换到不同的位置。信号上行传输时,地面用户利用各自波长传输10 Gb/s的NRZ信号。实现了视场角为80°和2m自由空间的室内双向光无线广播传输。
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