軌道角動(dòng)量光通信研究進(jìn)展

侯 金，王林枝，楊春勇，陳少平

(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，智能無線通信湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074)

隨著寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的普及和物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算等大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)也面臨著傳輸容量不足和信道阻塞等諸多考驗(yàn)和挑戰(zhàn)[1,2].利用光軌道角動(dòng)量(OAM)的復(fù)用技術(shù)，能夠提高通信信道容量和頻譜效率[3]，可望有效地解決這些問題.因而對(duì)于OAM光通信技術(shù)的研究，近年來引起了世界各國科研工作者的廣泛興趣，取得了迅猛的發(fā)展[3-13].

OAM是具有相位因子exp(ilθ)的渦旋光束特有的物理屬性，其中l(wèi)表示拓?fù)浜桑缺硎痉轿唤?自1992年Allen等人在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了OAM存在后[14]，關(guān)于OAM的研究主要集中于光學(xué)扳手、光鑷和量子糾纏等領(lǐng)域[15-17].有關(guān)OAM光通信的研究，在2011年南加州大學(xué)的Alan E.Willner教授和華中科技大學(xué)的王健教授共同發(fā)表的利用OAM復(fù)用實(shí)現(xiàn)Tbit/s光傳輸?shù)难芯拷Y(jié)果之前[12]，一直未取得重大突破[18].OAM是與光的波長、偏振態(tài)等類似的獨(dú)立光屬性，其拓?fù)浜衫碚撋峡扇o窮個(gè)，并且具有不同拓?fù)浜傻腛AM模式相互正交.因此，可將OAM視為一個(gè)新的自由度，與波長、偏振態(tài)等復(fù)用方式作為數(shù)據(jù)信息載體，從而大大提高通信系統(tǒng)容量與頻譜效率，并豐富與增強(qiáng)光通信網(wǎng)絡(luò)的功能[3, 5, 9-10, 12, 18-20].組建OAM光通信系統(tǒng)涉及到OAM光束的產(chǎn)生、OAM的復(fù)用與解復(fù)用和OAM信號(hào)的傳輸媒介等三大模塊.為此，本文從這三方面出發(fā)，簡要綜述了OAM光通信技術(shù)研究的最新進(jìn)展情況，并探討了該領(lǐng)域內(nèi)未來可能的研究方向和發(fā)展趨勢.

1 OAM光束的產(chǎn)生

通常，光纖中傳輸?shù)墓馐怯枚蛎赘咚构獗硎镜?，而具有OAM的渦旋光束則常用拉蓋爾高斯光表示.式(1)表示了厄米高斯光束A(r)和拉蓋爾高斯光束U(r,θ)的關(guān)系：

U(r,θ)=A(r)exp(ilθ),

(1)

其中，r表示距離高斯光束中心軸的徑向距離，θ表示方位角，l表示拓?fù)浜?可見，只需要引入一個(gè)隨方位角變化的相位因子exp(ilθ)，就可以把普通厄米高斯光束轉(zhuǎn)化為OAM光束[9].根據(jù)這一原理，產(chǎn)生OAM光束的傳統(tǒng)方法主要有4種：計(jì)算機(jī)全息法[21]、透鏡轉(zhuǎn)換法[22]、螺旋相位板法[23]和液晶空間光調(diào)制器轉(zhuǎn)化法[24].然而這些方法產(chǎn)生的OAM光束，一方面在與光纖通信系統(tǒng)耦合時(shí)非常困難；另一方面，也難于與通信用光器件集成；因而不便于在實(shí)際光通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用.

為了適應(yīng)OAM光通信系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的要求，近年來，研究者又提出了3種新的OAM光束產(chǎn)生方法：光纖耦合器轉(zhuǎn)換法[3, 8, 25]、光子晶體光纖轉(zhuǎn)換法[7-8]和光波導(dǎo)器件轉(zhuǎn)化法[11, 17, 26,27].這些新方法的相繼誕生，為發(fā)展適宜OAM光通信系統(tǒng)使用的OAM信號(hào)源做了有益的嘗試.

1.1 光纖耦合器轉(zhuǎn)化法

圖1 用于OAM光束產(chǎn)生的2種光纖耦合器Fig.1 Two kinds of fiber couplers designed for OAM modes generation

這類OAM光纖耦合器在光纖上實(shí)現(xiàn)了OAM光束的產(chǎn)生，不僅突破了傳統(tǒng)空間OAM光束產(chǎn)生裝置的復(fù)雜與龐大等缺陷，同時(shí)也有利于OAM光纖通信技術(shù)的推廣和發(fā)展.然而，這類OAM光纖耦合器存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)：波導(dǎo)色散較大.大的色散將使高階OAM模對(duì)波長的變化很敏感，從而引起模式的不穩(wěn)定.因此，目前難以產(chǎn)生純度好的高階OAM模式.

1.2 光子晶體光纖轉(zhuǎn)化法

幾乎同時(shí)，德國的G. K. L. Wong[29]等人在SCIENCE雜志上報(bào)道了一種螺旋PCF模式轉(zhuǎn)換器，可以產(chǎn)生更多拓?fù)浜蓴?shù)的OAM模式.如圖2(b)所示，當(dāng)激光器向該P(yáng)CF中輸入線性偏振的超連續(xù)光時(shí)，螺旋型的結(jié)構(gòu)將對(duì)輸入光進(jìn)行方位角向的調(diào)制，從而使輸入光的相位發(fā)生改變，最終得到具有OAM的渦旋光.除了具備圖2(a)中光纖所具有的優(yōu)點(diǎn)之外，螺旋PCF中產(chǎn)生的OAM拓?fù)浜蛇€隨著光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)(如光纖長度、光纖孔徑、孔間距、扭曲率等)的變化而發(fā)生改變，因而還具有產(chǎn)生OAM模式豐富的優(yōu)點(diǎn).

圖2 用于模式轉(zhuǎn)化的2種PCFFig.2 Two kinds of PCFs designed for OAM modes generation

1.3 光波導(dǎo)器件轉(zhuǎn)換法

與光纖器件相比，光波導(dǎo)器件具有性能穩(wěn)定、體積小、成本低、模式控制較為便捷和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而采用光波導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)OAM模式的產(chǎn)生也極具發(fā)展?jié)摿11, 17, 26,27].2012年，英國布里斯托大學(xué)的蔡鑫倫與合作者在SCIENCE上報(bào)道實(shí)現(xiàn)了硅集成OAM渦旋光束發(fā)射器[11]，該發(fā)射器最小半徑為3.9 μm.如圖3(a)所示，在硅波導(dǎo)中傳輸?shù)亩蛎赘咚构?，首先耦合到?nèi)壁附有周期鋸齒狀突起的環(huán)形波導(dǎo)中，在環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生回音壁模式.由于鋸齒的存在，光束在環(huán)形波導(dǎo)中傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生相差，進(jìn)而使得光波矢發(fā)生變化，最終在環(huán)形波導(dǎo)上方發(fā)射出帶有OAM模式的渦旋光.

圖3 微型硅基渦旋光束發(fā)射器示意圖Fig.3 Schematic of compact silicon photonic vortex emitter

該OAM渦旋光束發(fā)射器不僅具有體積小、相位敏感度低、產(chǎn)生OAM模式穩(wěn)定和可以大規(guī)模集成與級(jí)聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，還可以同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)拓?fù)浜煽煽氐腛AM光束，如圖3(b)所示.研究發(fā)現(xiàn)，該發(fā)射器發(fā)射OAM光束的拓?fù)浜蒷與環(huán)形波導(dǎo)中回音壁模式的方位角相指數(shù)p和器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)q(圖中鋸齒的個(gè)數(shù))有關(guān)，其關(guān)系表示為l=p-q.因此，改變參數(shù)q；或者通過調(diào)節(jié)激光器的波長來激發(fā)不同的回音壁模式，從而改變參數(shù)p；均可改變OAM的拓?fù)浜蓴?shù).由此可見：該渦旋光束發(fā)射器只需改變少量參數(shù)即可快速精確調(diào)節(jié)拓?fù)浜珊蛯?shí)現(xiàn)OAM模式的快速切換.但是，由前述拓?fù)浜杀磉_(dá)式也可以發(fā)現(xiàn)，其調(diào)節(jié)拓?fù)浜傻哪芰€受限于激光器的可調(diào)諧范圍.

2 OAM的復(fù)用與解復(fù)用

如何高效的將具有不同拓?fù)浜蓴?shù)的OAM模式復(fù)用與解復(fù)用也是OAM光通信所要面臨的一個(gè)基本問題.目前，在復(fù)用與解復(fù)用的具體實(shí)現(xiàn)上有2種方式：一是直接采用OAM模式作為載波攜帶信號(hào)傳輸；另一種是同時(shí)對(duì)多個(gè)OAM態(tài)進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)碼分復(fù)用.

2.1 OAM模式直接復(fù)用與解復(fù)用

在OAM模式的復(fù)用技術(shù)研究方面，2012年，加州大學(xué)戴維斯分校的蘇鐵輝和貝爾實(shí)驗(yàn)室的David等人通過聯(lián)合研究，在硅基集成光芯片上完成了OAM模式復(fù)用與解復(fù)用.如圖4所示，該芯片的光路主要包含左側(cè)正中央的微納環(huán)形耦合光柵、左側(cè)上下部的分束波導(dǎo)、陣列波導(dǎo)、右側(cè)的星狀耦合器等幾個(gè)部分.此外，在陣列波導(dǎo)的下方還帶有加熱裝置，可以對(duì)在陣列波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行相位調(diào)控或補(bǔ)償.當(dāng)器件工作時(shí)，一束含多個(gè)OAM模式態(tài)的垂直入射空間光被中央環(huán)形耦合光柵接收，并轉(zhuǎn)化為平面波導(dǎo)模式，隨后被分束波導(dǎo)相位采樣傳入到陣列波導(dǎo)中.緊接著，陣列波導(dǎo)將采樣光傳輸?shù)叫菭铖詈掀鞯淖杂蓚鬏攨^(qū).陣列波導(dǎo)及每個(gè)分束波導(dǎo)具有相同的長度，使得各采樣光的相位差在經(jīng)過波導(dǎo)傳輸后保持不變.在自由傳輸區(qū)，傳輸過來的采樣光產(chǎn)生衍射和波前變化，最后不同OAM態(tài)的多個(gè)采樣輸入光在星狀耦合器各自對(duì)應(yīng)的不同輸出端口合成單模光.也就是，從中央環(huán)形光柵同時(shí)輸入的多個(gè)不同OAM態(tài)，傳輸?shù)搅诵菭铖詈掀鲗?duì)應(yīng)的不同輸出波導(dǎo)端口，從而實(shí)現(xiàn)了OAM模式解復(fù)用.考慮到制作工藝存在誤差，導(dǎo)致實(shí)際陣列波導(dǎo)和分束波導(dǎo)的長度等尺寸和設(shè)計(jì)值發(fā)生偏離，引起相位偏差.這時(shí)，通過加熱裝置給陣列波導(dǎo)加熱，可以對(duì)陣列波導(dǎo)和分束波導(dǎo)中的相位偏差進(jìn)行補(bǔ)償，使器件正常工作.

圖4 硅光波導(dǎo)OAM復(fù)用器件示意圖Fig.4 Waveguide layout of silicon OAM device for multiplexing OAM modes

把上述OAM模式解復(fù)用工作的過程逆向來看，即能把多個(gè)波導(dǎo)模式復(fù)用為多個(gè)OAM態(tài).當(dāng)多個(gè)單模波導(dǎo)的光同時(shí)從星狀耦合器右側(cè)端口輸入時(shí)，根據(jù)光路可逆的原理，中央環(huán)形耦合光柵將輸出一束含多OAM模式態(tài)的復(fù)用光，實(shí)現(xiàn)OAM模式的復(fù)用.因此，可以用該芯片構(gòu)建集成通信信道：信道的發(fā)送端與接收端均為該芯片，并且2個(gè)芯片采用相同的集成電路來驅(qū)動(dòng)加熱裝置，從而完成OAM光的無線短距通信.實(shí)驗(yàn)中，他們成功地實(shí)現(xiàn)了2個(gè)OAM態(tài)復(fù)用的20 Gbit/s的短距離自由空間傳輸.

2.2 OAM碼分復(fù)用

另一種使用OAM的復(fù)用方式是對(duì)多個(gè)OAM模態(tài)進(jìn)行編/譯碼，實(shí)現(xiàn)碼分復(fù)用，提高頻譜利用率.清華大學(xué)的黃翊東研究組的張登科等人研究了如何利用硅基光子集成芯片實(shí)現(xiàn)OAM的編/譯碼[4, 30].圖5所示的是一種對(duì)OAM模式的譯碼原理圖.該譯碼器包含1個(gè)輸入端口、2個(gè)輸出端口、1個(gè)環(huán)形諧振腔、4個(gè)下行波導(dǎo)以及多個(gè)Y型分束器.因?yàn)榄h(huán)形諧振腔中不同階數(shù)的回音壁模式和拓?fù)浜蓴?shù)不同的OAM模式相位分布類似，因此可以用回音壁模式模擬OAM模式[30].該器件工作時(shí)，輸入光首先耦合到環(huán)形腔中，經(jīng)震蕩形成多個(gè)階數(shù)的回音壁模式，模擬接收到多個(gè)不同拓?fù)浜蓴?shù)的OAM模式.4個(gè)等距離分布于環(huán)形諧振腔周圍的下行波導(dǎo)對(duì)諧振腔的光狀態(tài)進(jìn)行相位采樣，每個(gè)下行波導(dǎo)中得到一組具有不同相位狀態(tài)的多個(gè)模式組成的復(fù)合狀態(tài).這時(shí)，對(duì)這4個(gè)下行波導(dǎo)施加特定的功率和相位控制(利用Y分束器調(diào)節(jié)功率，改變波導(dǎo)長度調(diào)節(jié)相位)，并選擇其中幾個(gè)下行波導(dǎo)進(jìn)行疊加，就可以得到輸入OAM模式的譯碼.圖中，顯示了2組施加不同控制得到的譯碼結(jié)果，得到了2組不同的二進(jìn)制碼元：端口1得到[1010]，端口2得到[1100].

圖5 OAM譯碼器原理圖Fig.5 Schematic for decoding OAM signal

3 OAM的傳輸媒介

目前，OAM模式的傳輸媒介主要有自由空間和渦旋光纖2種，而且大部分研究報(bào)道都集中在自由空間光通信上[3, 9,10, 20, 31,32].自由空間OAM光通信的研究主要在于演示OAM模式復(fù)用的新原理，如當(dāng)OAM模式復(fù)用和傳統(tǒng)的波分復(fù)用技術(shù)、偏振復(fù)用技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，傳輸系統(tǒng)的信道容量和頻譜效率會(huì)成倍數(shù)增加，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超Tbit/s的高速率傳輸[3, 12]；渦旋光纖OAM光通信的研究則主要在于降低傳輸損耗和色散，從而提高傳輸距離，已報(bào)道了長達(dá)1.1 km的高速傳輸[5, 13, 33].

圖6所示的是2012年Alan E.Willner研究組的Fazal等人應(yīng)用OAM復(fù)用與波分復(fù)用結(jié)合在自由空間傳輸?shù)囊环N典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[10].該系統(tǒng)首先將波分復(fù)用后得到的2束高斯光分別通過空間光調(diào)制器轉(zhuǎn)化成2束OAM光，然后利用光合束器將2束OAM光復(fù)用為1束OAM同心光束.該OAM復(fù)用光束在自由空間中傳輸約1 m后，在接收端被另一個(gè)空間光調(diào)制器轉(zhuǎn)化成2束空間解復(fù)用的高斯光，最后被波分復(fù)用接收設(shè)備解復(fù)用接收.實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了50個(gè)信道的復(fù)用傳輸(2個(gè)OAM的態(tài)復(fù)用，每個(gè)OAM態(tài)傳輸25個(gè)通道的波分復(fù)用信號(hào))，傳輸總速率高達(dá)2 Tbit/s.

圖6 OAM模式在自由空間中傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.6 Transmission of OAM modes in free space

雖然上述自由空間的OAM通信系統(tǒng)傳輸速率比較高，但是該系統(tǒng)易受到大氣環(huán)境變化和外界的干擾，傳輸距離較短[10, 32]，與光纖耦合效率也較低[10].一種比較好的解決方法是采用渦旋光纖來傳輸OAM復(fù)合光信號(hào)[5, 13, 33].圖7所示的是2013年Bozinovic等人發(fā)表的利用渦旋光纖進(jìn)行OAM光通信的一種典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[5].該系統(tǒng)包含OAM復(fù)用、渦旋光纖、OAM解復(fù)用、OAM檢測等4個(gè)部分.實(shí)驗(yàn)中，利用渦旋光纖，該系統(tǒng)成功的將OAM復(fù)合模式傳輸了1.1 km.在采用單波長傳輸?shù)那闆r下，復(fù)用4個(gè)OAM模式時(shí)，傳輸容量可達(dá)到400 Gbit/s；同時(shí)采用10個(gè)波長復(fù)用和2個(gè)OAM模式(l=±1)復(fù)用時(shí)，該系統(tǒng)的傳輸容量更可達(dá)1.6 Tbit/s，并且誤比特率不超過3.8×10-3，實(shí)現(xiàn)了較長距離的大容量、低誤碼的OAM光通信.而據(jù)目前最新的研究報(bào)道，采用光纖傳輸OAM信息，理論上傳輸距離已經(jīng)可以達(dá)到100 km[34, 35].隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的進(jìn)一步深入，未來渦旋光纖的傳輸性能會(huì)進(jìn)一步得到提高.

圖7 OAM模式在光纖中傳輸示意圖Fig.7 Transmission of OAM modes in fiber

4 結(jié)語

隨著OAM光通信系統(tǒng)展示的巨大發(fā)展?jié)摿?，國?nèi)外研究和關(guān)注OAM光通信的科研小組越來越多[5, 11，12, 18,19].為適應(yīng)OAM通信系統(tǒng)的需求，各種新型OAM光源、復(fù)用解復(fù)用器件、傳輸光纖等OAM光通信器件與系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)[5, 8, 11, 17,18, 25-27, 36]，極大地推動(dòng)了OAM光通信系統(tǒng)的發(fā)展.在OAM光束產(chǎn)生方面，新發(fā)現(xiàn)了利用光纖/光波導(dǎo)產(chǎn)生OAM光束的方法[3, 7, 8, 11, 17, 25,27]；在OAM復(fù)用解復(fù)用方面，發(fā)展了新型的可集成OAM模式復(fù)用與解復(fù)用器件[4, 36]；在OAM的傳輸媒介方面，長距離渦旋光纖從無到有，性能不斷得到提高[5, 13, 33].可以看出，當(dāng)前國際上各研究小組正在發(fā)揮各自的優(yōu)勢，積極尋求合作，力求在提高OAM光通信器件與系統(tǒng)性能的同時(shí)，將器件光纖化或集成化，從而降低OAM通信系統(tǒng)的成本，突破限制OAM光通信系統(tǒng)實(shí)用的關(guān)鍵器件技術(shù)[5, 11, 36].

我國有關(guān)OAM光通信的研究進(jìn)展較快，中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)等在OAM光器件和通信系統(tǒng)方面都做出了突出的工作，取得了相當(dāng)好的研究成果[27, 34,35, 37]；作者所在的研究小組，在中南民族大學(xué)智能無線通信湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持下，從2012年開始針對(duì)OAM光通信進(jìn)行跟蹤調(diào)研研究，在OAM信號(hào)的大氣傳輸和OAM光器件方面也已經(jīng)有了初步的積累.總的來說，因?yàn)槭芟抻谄骷に嚮A(chǔ)，國內(nèi)的研究大多數(shù)都集中于理論工作上；關(guān)于OAM光器件的實(shí)驗(yàn)研究，一般都需要與國外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，獨(dú)立完成器件方面研究的屈指可數(shù)[27, 34，35].因此，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科技部等先后將該領(lǐng)域列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域進(jìn)行資助，可以預(yù)料，今后我國在該領(lǐng)域?qū)?huì)取得更好的研究成果.

參 考 文 獻(xiàn)

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