OAM光通信技術(shù)研究進(jìn)展

郭忠義，龔超凡，劉洪郡，李晶晶，王子坤，楊 陽，宮玉彬

OAM光通信技術(shù)研究進(jìn)展

郭忠義1*，龔超凡1，劉洪郡1，李晶晶1，王子坤1，楊 陽2，宮玉彬2

1合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；2電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院微波電真空器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610054

渦旋光束攜帶的軌道角動(dòng)量(OAM)為光波的空間域提供了新的維度資源，吸引了越來越多研究人員的關(guān)注。由于具有不同OAM模式值的渦旋光束相互正交，因此將OAM模式引入傳統(tǒng)光通信領(lǐng)域，衍生出兩種新的應(yīng)用機(jī)制——OAM鍵控(OAM-SK)與OAM復(fù)用(OAM-DM)，這為未來實(shí)現(xiàn)高速、大容量及高頻譜效率的光通信技術(shù)提供了潛在的解決方案。本文將從OAM光束的類別和產(chǎn)生方法等基本概念理論出發(fā)，對(duì)這兩種通信應(yīng)用機(jī)制相關(guān)的典型研究案例做簡(jiǎn)要概述，并重點(diǎn)論述三種關(guān)鍵技術(shù)，包括OAM光束復(fù)用技術(shù)、OAM光束解調(diào)技術(shù)以及OAM光通信的大氣湍流效應(yīng)抑制技術(shù)。最后，對(duì)OAM光通信技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)及其前景進(jìn)行了分析與展望。

軌道角動(dòng)量；自由空間光通信；OAM復(fù)用；大氣湍流

1 引 言

近年來，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，諸如物聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)、視頻電話等大流量消耗型業(yè)務(wù)的不斷興起，人們對(duì)信息的需求量越來越大，網(wǎng)絡(luò)帶寬已逐漸達(dá)到瓶頸，因而擴(kuò)大通信系統(tǒng)的通信容量已成為通信領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的問題，對(duì)更多通信資源維度的發(fā)掘成為構(gòu)建高速大容量的通信技術(shù)的必然趨勢(shì)。與電子的有限維度不同，光子具有多個(gè)基本維度，如圖1所示，包括波長(zhǎng)/頻率、時(shí)間、復(fù)振幅(幅度，相位)、偏振及空間域[1-2]。所有與光波相關(guān)的應(yīng)用幾乎都是圍繞光子的維度資源展開的，因此，通過對(duì)光子在這些物理維度上的操控，可以實(shí)現(xiàn)多種與光相關(guān)的應(yīng)用[2-3]。在傳統(tǒng)光通信領(lǐng)域，信息載波調(diào)制主要是基于平面波，圍繞光波的波長(zhǎng)/頻率、時(shí)間、偏振態(tài)等維度資源展開。相應(yīng)地，各類復(fù)用技術(shù)，如波分復(fù)用(wavelength division multiplexing，WDM)、時(shí)分復(fù)用(time division multiplexing，TDM)、偏振復(fù)用(polarization division multiplexing，PDM)等，以及高級(jí)信號(hào)調(diào)制技術(shù)，如正交幅度調(diào)制(quadrature amplitude modulation，QAM)、脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation，PPM)、多進(jìn)制相移鍵控等推動(dòng)著光通信技術(shù)不斷發(fā)展變革[3-7]。然而，近年來對(duì)于這些已有維度資源的開發(fā)幾乎達(dá)到了極限，容量危機(jī)仍然是光通信面臨的極大挑戰(zhàn)[8]。

當(dāng)前，光波空間域維度資源的開發(fā)為光通信的可持續(xù)擴(kuò)容提供了新的思路，如以空間排布為基礎(chǔ)發(fā)展起來的多芯光纖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域，成為緩解容量需求的有效選擇之一[8-9]。此外，具有不同空間結(jié)構(gòu)特征的結(jié)構(gòu)光場(chǎng)提供了更具多樣性的光場(chǎng)存在形式，也可在無線光通信系統(tǒng)中用于提升通信容量[9]，典型的結(jié)構(gòu)光場(chǎng)包括具有空間變化相位分布的軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum，OAM)光場(chǎng)[9-15]、具有空間變化偏振分布的矢量光場(chǎng)[9-15]、具有空間變化幅度的厄米高斯光場(chǎng)[9-15]等。這些結(jié)構(gòu)光場(chǎng)憑借著其獨(dú)特的空間分布特性，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域[9-15]，例如：光學(xué)操控、粒子捕獲、成像、量子科學(xué)等。近年來，結(jié)構(gòu)光場(chǎng)在光通信領(lǐng)域也有了新的應(yīng)用，其中，具有空間相位變化的OAM光場(chǎng)更是成為了目前光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖1 光子物理維度資源示意圖

理論上，由于OAM模式值取值無限且攜帶不同整數(shù)階OAM的光束之間相互正交，這啟發(fā)了人們可將OAM光束的空間維度資源作為信息的載體，應(yīng)用于自由空間光(free space optical，F(xiàn)SO)通信領(lǐng)域來擺脫通信資源日益緊縮的困境[19]。隨著研究人員的不斷探索與發(fā)掘，當(dāng)前，對(duì)于OAM光束在通信與信號(hào)處理方面的應(yīng)用主要包括兩種機(jī)制[19]：其一是根據(jù)OAM模式值的取值多樣性，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)到不同OAM光束之間的映射，每個(gè)OAM模式值代表一個(gè)數(shù)據(jù)比特。類比于振幅鍵控(amplitude shift keying，ASK)、頻移鍵控(frequency shift keying，F(xiàn)SK)等調(diào)制技術(shù)，人們稱之為OAM鍵控(OAM-SK)[20-29]。其二是將OAM光束作為調(diào)制信號(hào)的載波，利用不同OAM光束之間的正交性來實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，從而成倍地提升成信道容量。類比于WDM、TDM、PDM等復(fù)用通信技術(shù)，人們稱之為OAM復(fù)用(OAM-DM)[30-50]。

盡管基于OAM的FSO通信在提升信道利用率，增大信息傳輸容量等方面有較大優(yōu)勢(shì)，而且在星地通信、深空通信、拓展無線通信覆蓋范圍的超寬帶通信等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值[19]。但其在實(shí)際的應(yīng)用設(shè)計(jì)及商業(yè)化進(jìn)程中還面臨著技術(shù)和傳輸環(huán)境這兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)。對(duì)于技術(shù)方面的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量通信性能的OAM光通信系統(tǒng)，如何將OAM光束的生成器做得集成度更高，如何設(shè)計(jì)更加高效的OAM復(fù)用及解調(diào)模塊等仍是亟待解決的難題。此外，環(huán)境因素如大氣湍流、霧霾和障礙物等會(huì)對(duì)FSO光通信系統(tǒng)帶來惡劣的信道傳輸環(huán)境，其對(duì)OAM光束相位的擾動(dòng)，使得OAM信道間串?dāng)_急劇增加，大大降低了通信系統(tǒng)的性能，因此對(duì)湍流效應(yīng)抑制方案的探究也是OAM光通信技術(shù)的重中之重[19]。

本文全面綜述了基于OAM的FSO通信基本理論及關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展。在簡(jiǎn)要介紹OAM光束的基本概念、產(chǎn)生方案及OAM-FSO通信的應(yīng)用機(jī)制后，對(duì)近些年OAM光束復(fù)用技術(shù)，OAM光束解調(diào)技術(shù)，以及OAM通信的湍流效應(yīng)抑制技術(shù)的研究成果與進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后，對(duì)OAM光通信技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)及其前景進(jìn)行展望。

2 OAM光束的種類與產(chǎn)生方案

2.1 OAM光束的種類

常見的具有螺旋型相位波前的OAM光束有多種類型，不同的OAM光束的橫截面光強(qiáng)分布不盡相同，但他們的共同特征是其中心存在的相位奇點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)呈現(xiàn)出具有中心暗核的環(huán)形分布。本節(jié)介紹幾種常用于OAM-FSO通信系統(tǒng)的OAM光束，主要包括拉蓋爾高斯光束、貝塞爾高斯光束、完美渦旋光束以及矢量渦旋光束等。

2.1.1拉蓋爾高斯光束

拉蓋爾高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光束是目前OAM-FSO通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的OAM光束，它是在傍軸近似的條件下，亥姆霍茲方程在柱坐標(biāo)系中的特解，其光場(chǎng)分布滿足[18]：

2.1.2 貝塞爾高斯光束

另一種常用于OAM-FSO通信系統(tǒng)的光束是貝塞爾(Bessel)光束。與LG光束類似，貝塞爾光束也具有螺旋相位結(jié)構(gòu)。理想情況下，貝塞爾光束光強(qiáng)分布在垂直于傳播方向的截面上表現(xiàn)為貝塞爾函數(shù)形式。值得一提的是，具有無窮大橫截面積的理想貝塞爾光束需要無窮大的能量才能實(shí)現(xiàn)，因此在實(shí)際的工程應(yīng)用中，通常對(duì)理想貝塞爾光束進(jìn)行高斯截?cái)鄟慝@得近似的貝塞爾光束，即貝塞爾高斯(Bessel-Gaussian, BG)光束，其光場(chǎng)表達(dá)式為[51]

2.1.3 完美渦旋光束

無論是LG光束還是BG光束，其光束直徑都會(huì)隨著OAM模式值的增大而增大，這在長(zhǎng)距離傳輸后不利于接收端的探測(cè)耦合。2013年，Ostrovsky等[56]利用加載在空間光調(diào)制器(spatial light modulator，SLM)上的獨(dú)特相位模式，在遠(yuǎn)場(chǎng)生成了一種光場(chǎng)亮環(huán)半徑不隨OAM模式值增大而改變的新型光束，并稱之為完美渦旋光束(perfect optical vortex，POV)，其復(fù)振幅表達(dá)式為[56-57]

其中：是用來限制渦旋光束直徑的狄拉克函數(shù)。r0為POV半徑。由于狄拉克函數(shù)只存在于理想狀態(tài)下，因此在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下生成符合式(3)的POV是相當(dāng)困難的。而對(duì)理想狀態(tài)下的貝塞爾光束進(jìn)行傅里葉變換得到的復(fù)振幅分布僅與式(3)相差一個(gè)比例系數(shù)[57-58]，因此，在實(shí)際中人們常對(duì)BG光束進(jìn)行傅里葉變換即可得到近似于式(3)的光場(chǎng)分布，其復(fù)振幅表達(dá)式為[57]

POV的優(yōu)勢(shì)在于攜帶任意OAM模式值的光束半徑幾乎一致，如圖2(c)所示，這使得在實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的OAM通信實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用POV能減小能量的發(fā)散，從而可以大大降低接收端的接收難度[59-60]。

2.1.4 矢量渦旋光束

目前，針對(duì)上述幾種OAM光束物理特性的研究已經(jīng)較為成熟，而對(duì)于工程應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是OAM-FSO通信領(lǐng)域，這些OAM光束憑借著其各自不同的特性也表現(xiàn)出不同的應(yīng)用前景。通常，相比于BG光束、POV光束和VV光束，LG光束在實(shí)驗(yàn)中生成所需的光學(xué)器件較為簡(jiǎn)單且成本相對(duì)較低(在2.2節(jié)中詳細(xì)介紹)，因此其是目前OAM-FSO通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛和成熟的OAM光束。而對(duì)于BG光束，憑借著遇障礙物后的自恢復(fù)特性，其更適合應(yīng)用于復(fù)雜信道環(huán)境下的OAM-FSO通信系統(tǒng)。對(duì)于POV光束，由于POV光環(huán)半徑與OAM模式取值無關(guān)的這一重要特性，其很好地解決了接收孔徑有限時(shí)，OAM模式值較大的LG光束和BG光束的光環(huán)半徑過大而帶來的不易于接收的問題。同時(shí)，需要指出的是，由于POV只有在傅里葉透鏡的焦點(diǎn)處產(chǎn)生，在焦點(diǎn)位置前后仍然是BG光束，所以過去在實(shí)驗(yàn)上往往通過在透鏡焦點(diǎn)處放置一塊顯微物鏡并在其后級(jí)聯(lián)一個(gè)透鏡來對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直的方法維持POV的長(zhǎng)距離傳輸[59-60]。因此，在接收機(jī)孔徑有限且要實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的OAM-FSO通信時(shí)，POV光束將會(huì)是較好的選擇之一。此外，對(duì)于VV光束，目前的研究多在其本身的物理特性上，對(duì)其具體的應(yīng)用場(chǎng)合(如OAM-FSO通信)的研究仍然處于起步階段，其具體的應(yīng)用場(chǎng)景還有待于研究者們將來去進(jìn)一步在理論和實(shí)驗(yàn)上去細(xì)致探究。

2.2 OAM光束的產(chǎn)生方案

高質(zhì)量OAM光束的產(chǎn)生是OAM光通信系統(tǒng)成功運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，OAM光束的產(chǎn)生方案主要分為有源和無源兩類。其中，有源方案主要利用激光腔直接輸出OAM光束[69-73]?；谠擃惙桨钢苯赢a(chǎn)生的OAM光束具有良好的光束質(zhì)量，因而獲得了廣泛的研究。當(dāng)泵浦光輸入到激光腔時(shí)會(huì)產(chǎn)生包含基模在內(nèi)的多種共振模式，激光腔可對(duì)光束的橫向模態(tài)進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而可控制出射光束的空間分布、偏振和傳播特性。因此若要產(chǎn)生OAM光束，則需要對(duì)激光腔進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，迫使激光在特定應(yīng)用所需的選定單模上振蕩，從而獲得OAM光束。常用的方法有利用激光增益介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行橫向模式選擇[69]以及插入特殊設(shè)計(jì)的元器件，如帶有缺陷點(diǎn)的透鏡[71-72]等。近年來，直接在激光腔中產(chǎn)生LG模式，而不需要插入額外元器件的方法也被提出。例如，可以利用雙端極化泵浦技術(shù)與離軸泵浦技術(shù)相結(jié)合，在Z型腔內(nèi)產(chǎn)生渦旋光束[73]。然而，這些方法通常需要較高的泵浦光功率或特殊設(shè)計(jì)的元件，效率相對(duì)較低，其產(chǎn)生功率受到一定的限制，也不易產(chǎn)生高階OAM模式。相反地，無源方案主要指在腔外通過轉(zhuǎn)換器件將普通的高斯光束轉(zhuǎn)換成OAM光束，該方案憑借著其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活、可控性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)方式多樣等特點(diǎn)，目前已成為OAM光束產(chǎn)生的主流方案。其常用的OAM轉(zhuǎn)換器件包括螺旋相位板(SPP)[74-79]、衍射光學(xué)元件[80-84]、模式轉(zhuǎn)換器[18, 85]、q板[86-89]、J板[90]、超材料或超表面[91-98]、基于光纖的器件[99-105]、光子集成器件[106-111]等。

螺旋相位板(SPP)是一種最為直接、高效的轉(zhuǎn)換器件[74-79]，是一種表面呈螺旋階梯狀分布的透明板，如圖3(a1)所示，其厚度沿角向逐漸增大。由于不同方位角上厚度的不同，引起透射光光程差的不同，進(jìn)而造成不同方位角上相位差的變化，這使得具有平面等相位的光束入射共軸放置的SPP后可產(chǎn)生具有螺旋相位的OAM光束。SPP具有很高的轉(zhuǎn)換效率，可用于大功率激光束的轉(zhuǎn)換。但是，每種SPP只能產(chǎn)生一種模式的OAM光束，并且在加工上具有非常嚴(yán)格的精度要求。

更為靈活、快捷的方案是通過可重構(gòu)的衍射光學(xué)元件產(chǎn)生OAM光束，例如，空間光調(diào)制器(SLM)[80-82]、數(shù)字微鏡(digital micromirror display，DMD)[83]等。SLM是一種像素化的液晶器件，其液晶分子可以通過編程來動(dòng)態(tài)改變?nèi)肷涔馐膮?shù)，包括橫向平面上的光束相位，從而產(chǎn)生OAM光束[80-82]。一般來說，為了產(chǎn)生OAM光束，加載到SLM上的為相位全息圖[84]，其可以為螺旋相位形式(如圖3(a2)所示)、叉形全息圖形式(如圖3(a3))或二值化的叉形光柵形式。相對(duì)比其他的調(diào)制方法，SLM在提高效率、降低能耗、提高轉(zhuǎn)換速度和質(zhì)量方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是SLM相對(duì)昂貴，并有一個(gè)能量閾值，使其無法使用高功率激光束。近年來，在液晶SLM的基礎(chǔ)上，又引入了一種名為DMD的衍射光學(xué)元件，該元件成本低、刷新速度快，但衍射效率相對(duì)較低[83]。

圖3 (a) 利用螺旋相位板(SPP) (a1)，螺旋相位全息圖(a2)，叉形光柵(a3)產(chǎn)生OAM光束示意；(b) 利用模式轉(zhuǎn)換器將HG光束轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)G光束，(b1) 2階HG模的分解及LG模式的合成[19]，(b2)p/2模式轉(zhuǎn)換器及p模式轉(zhuǎn)換器[19]；(c) q板對(duì)圓偏振光的作用[89]；(d) L形天線組成的超表面產(chǎn)生OAM光束[92]；(e) 微環(huán)諧振器產(chǎn)生OAM光束[106]

然而，利用光學(xué)元器件產(chǎn)生OAM光束的傳統(tǒng)方案面臨著所需器件體積較大且不易集成的挑戰(zhàn)。近年來，超材料和超表面的發(fā)展為OAM光束的生成提供了新的解決方案[91-98]。超表面作為平面超薄光學(xué)元件，通常由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元組成，如L形天線[92](如圖3(d))、V形天線[93]等。基于光的反射和衍射原理，通過控制亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元或高折射率的介質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如形狀、尺寸、方向等)來控制反射、衍射光束的相位、振幅或偏振態(tài)。使用超材料或超表面的最大優(yōu)點(diǎn)是其體積小，便于集成，這使得該方案成為未來產(chǎn)生OAM光束的可替代方案之一。

此外，基于光纖集成鏈路的方案也可實(shí)現(xiàn)OAM光束的高效產(chǎn)生。利用光纖產(chǎn)生OAM光束主要包括三種方法[99-105]：光纖耦合轉(zhuǎn)換法、光子晶體光纖轉(zhuǎn)換法和光波導(dǎo)器件轉(zhuǎn)換法。OAM光束還可利用光子集成器件[106-111]來產(chǎn)生，如微環(huán)諧振器[106]等，其構(gòu)造如圖3(e)所示，微環(huán)諧振器內(nèi)諧振的回音壁模式具有螺旋型的相位分布，通過在其側(cè)壁上引入角向光柵，通過調(diào)控角向光柵的周期數(shù)和回音壁模式的階數(shù)可控制耦合到自由空間光束的OAM模式數(shù)。相較于分立的光學(xué)元器件，基于光子集成器件的OAM產(chǎn)生方案由于其可靠、緊湊、可擴(kuò)展性的優(yōu)勢(shì)而獲得了廣泛應(yīng)用。常用的不同OAM光束產(chǎn)生方案在多個(gè)方面的性能比較如表1所示。

3 OAM通信應(yīng)用機(jī)制

在傳統(tǒng)FSO通信領(lǐng)域，信息載波調(diào)制主要是基于平面光波的波長(zhǎng)/頻率、時(shí)間、偏振態(tài)等維度資源展開，而OAM模式可充分利用空間維度資源，且憑借著攜帶不同OAM模式值的光束之間相互正交的特性，將其應(yīng)用于自由空間(FSO)光通信領(lǐng)域可擺脫傳統(tǒng)光通信領(lǐng)域信道容量受限的困境[19]。當(dāng)前，對(duì)于OAM光束在通信中的應(yīng)用機(jī)制主要包括以每個(gè)數(shù)據(jù)比特映射為不同OAM模式值的OAM鍵控(OAM-SK)通信[20-29]，以及將OAM光束作為調(diào)制信號(hào)載波的OAM復(fù)用通信(OAM-DM)[30-50]。本節(jié)將分別對(duì)這兩種OAM通信應(yīng)用機(jī)制相關(guān)的典型研究案例做簡(jiǎn)要概述。

表1 不同OAM光束產(chǎn)生方案的性能比較

3.1 OAM-SK通信

早在2004年，Gibson等[20]就成功利用OAM-SK機(jī)制構(gòu)建了15 m的FSO通信實(shí)驗(yàn)鏈路，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸和接收。如圖4(a1)所示，實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)直的He-Ne激光入射到SLM上，通過不斷刷新加載在SLM上的全息圖，入射光束被轉(zhuǎn)換為8個(gè)不同的OAM模式值的OAM光束，并經(jīng)自由空間傳輸，在接收端通過SLM上加載的二維叉形光柵全息圖進(jìn)行OAM解調(diào)。如圖4(a2)所示，光束將被分成9個(gè)與OAM模式值對(duì)應(yīng)的衍射級(jí)次，其中心光束用于對(duì)準(zhǔn)。通過每個(gè)衍射級(jí)是否出現(xiàn)中心亮斑，來確定入射光束中是否有相應(yīng)的OAM模式成分。

2008年，Liu等[21]提出了一種使用靜態(tài)二值振幅光柵和道威棱鏡實(shí)現(xiàn)兩螺旋光束疊加的方法，該方法僅通過旋轉(zhuǎn)道威棱鏡即可實(shí)現(xiàn)兩OAM光束的10種不同的同軸疊加方式，進(jìn)而可構(gòu)建出OAM-SK編碼系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了編碼裝置。

為了驗(yàn)證長(zhǎng)距離OAM-SK通信的可行性，2014年，Krenn等[22]在維也納市上空進(jìn)行了3 km傳輸距離的基于OAM模式疊加態(tài)的編譯碼通信實(shí)驗(yàn)。如圖4(b)所示，激光器發(fā)射出的光束經(jīng)SLM調(diào)制后產(chǎn)生OAM模式，后經(jīng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)光束擴(kuò)大，并利用一個(gè)高質(zhì)量的大焦距鏡頭發(fā)射到接收端。在接收端，CCD相機(jī)用于捕獲投射在接收屏幕上的強(qiáng)度模式分布，并收集到的光強(qiáng)圖像集送入計(jì)算機(jī)，再利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來完成解調(diào)任務(wù)。通過測(cè)量串?dāng)_矩陣，該系統(tǒng)的解調(diào)錯(cuò)誤率為1.7%。為進(jìn)一步檢驗(yàn)通信質(zhì)量，該課題組嘗試將兩張灰度圖像的每個(gè)像素值映射到16個(gè)OAM模式上，利用鍵控編碼技術(shù)進(jìn)行圖像信息傳輸，兩張圖片均取得了良好恢復(fù)效果。2016年，該課題組進(jìn)一步進(jìn)行了143 km長(zhǎng)傳輸距離的OAM-SK編譯碼實(shí)驗(yàn)[23]。如圖4(c)所示，由于超遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腛AM光束會(huì)出現(xiàn)發(fā)散的問題，該實(shí)驗(yàn)中接收的光束直接打在“光學(xué)地面站”的墻壁上用以觀察，在用像機(jī)記錄光斑圖像后，再利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)光斑圖像進(jìn)行分類識(shí)別，測(cè)得的總誤碼率為8.33%，證實(shí)了在超過100 km的自由空間中進(jìn)行OAM-SK通信的可行性。

在OAM-SK光通信系統(tǒng)中，對(duì)復(fù)用和解調(diào)技術(shù)的優(yōu)化也是研究的重中之重。2017年，合肥工業(yè)大學(xué)郭忠義研究團(tuán)隊(duì)[27]對(duì)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)相位全息圖所需的迭代算法進(jìn)行優(yōu)化，通過改變迭代步長(zhǎng)來擴(kuò)大權(quán)重系數(shù)的選擇范圍，同時(shí)在不同步長(zhǎng)下都使用相同迭代算法來進(jìn)行并行計(jì)算，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的計(jì)算全息圖并用于OAM光束的產(chǎn)生與解調(diào)。該方案通過傳輸一張灰度圖像，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的計(jì)算全息圖的高效轉(zhuǎn)換效率，其通信系統(tǒng)框圖如圖4(g)所示。

值得注意的是，對(duì)于一般的OAM-SK通信系統(tǒng)而言，當(dāng)傳統(tǒng)OAM光束(如LG光束)在自由空間傳輸時(shí)易受到障礙物的影響，部分或完全遮擋光路會(huì)導(dǎo)致鏈路連接中斷，從而降低通信質(zhì)量。因此人們也將視線轉(zhuǎn)向具有無衍射特性的貝塞爾光束在光通信中的應(yīng)用。2015年，Du等[28]利用貝塞爾光束成功實(shí)現(xiàn)了12 m多進(jìn)制OAM-SK光通信，如圖4(h)所示，在發(fā)送端多進(jìn)制數(shù)字序列信號(hào)映射到不同貝塞爾螺旋相位模式，并加載到SLM上從而將入射高斯光束轉(zhuǎn)換成不同的隨時(shí)間變化的BG光束序列。在完成鍵控編碼過程后，接收端通過反相位板進(jìn)行解調(diào)譯碼。該實(shí)驗(yàn)探究了不同OAM模式值的貝塞爾光束的16進(jìn)制和32進(jìn)制編譯碼性能。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使在傳輸路徑上存在一定的障礙物，接收端仍能實(shí)現(xiàn)零誤碼率的高質(zhì)量通信性能，這使得基于貝塞爾光束的OAM通信成為光通信領(lǐng)域的另一個(gè)研究熱門。

此外，基于POV的OAM-SK系統(tǒng)也是人們重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。2019年，Li等[29]提出了一種基于傅里葉變換定理的二維POV陣列的生成方法，以及一種二維POV陣列的十六進(jìn)制編解碼方案，實(shí)現(xiàn)了高容量的數(shù)據(jù)傳輸。如圖4(i)所示，其編碼的數(shù)據(jù)序列包含各POV的位置和OAM模式值信息，可以通過向特殊設(shè)計(jì)的純相位光柵中加入相移因子來調(diào)制?；谖恢煤蚈AM模式信息，二維POV陣列可以實(shí)現(xiàn)SDM和OAM-SK的功能，該方案為大容量光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新思路。

3.2 OAM-DM通信

與傳統(tǒng)FSO光通信相比，OAM-DM通信機(jī)制相當(dāng)于將承載調(diào)制信號(hào)的高斯載波替換為OAM光束，每束載波的OAM模式在時(shí)序上連續(xù)不變，而利用正交性，若干OAM載波光束的復(fù)用可極大提升通信容量，且具有高光譜效率低誤碼率的優(yōu)勢(shì)，因此，OAM-DM通信一度成為OAM光通信的研究熱點(diǎn)。而為了實(shí)現(xiàn)更高速率的通信，OAM-DM通常與偏振復(fù)用、波分復(fù)用、空間復(fù)用等技術(shù)相結(jié)合，這使得OAM-DM系統(tǒng)的OAM復(fù)用信道數(shù)、頻譜效率和傳輸容量不斷被突破[30-50]。

2015年，Lei等人[40]利用達(dá)曼渦旋光柵(DOVG)進(jìn)行OAM光束的復(fù)用與解調(diào)，突破了并行檢測(cè)多個(gè)共線OAM光束所需的實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜的限制。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖5(d)所示，搭載信號(hào)的激光束沿達(dá)曼渦旋光柵的不同衍射級(jí)入射，在零級(jí)上輸出具有10種不同OAM模式值的同軸復(fù)用OAM光束，接收端通過DOVG進(jìn)行解調(diào)并在10個(gè)衍射級(jí)方向檢測(cè)光信號(hào)。該方案通過采用10個(gè)OAM模式值、80個(gè)波長(zhǎng)和兩個(gè)偏振復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了1600個(gè)獨(dú)立調(diào)制的正交相移鍵控(QPSK)/16QAM數(shù)據(jù)傳輸，通信容量最大可達(dá)160 Tbit/s。

2016年，Zhu等[41]實(shí)驗(yàn)上搭建了一個(gè)采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM-DD)技術(shù)的單波長(zhǎng)Tbit自由空間通信系統(tǒng)。該工作中采用12個(gè)OAM模式與兩偏振態(tài)共24路信道，每路信道搭載30 Gbaud奈奎斯特PAM-4信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)1.44 Tbit/s的總傳輸容量，調(diào)制效率達(dá)48 bits/symbol。

由此可見，PDM、WDM、SDM等傳統(tǒng)光通信中常用的復(fù)用技術(shù)可以與OAM-DM相結(jié)合使得通信容量成倍增長(zhǎng)。需要指出的是，通常情況下PDM僅需若干光學(xué)元器件的組合(如偏振片、偏振分束器等)即可在實(shí)驗(yàn)中上相對(duì)容易地實(shí)現(xiàn)，因此OAM-DM與PDM的結(jié)合成為了常用的復(fù)用方案[32,34,37,39,41]。但是，PDM的可用維度較低(通常只可選用相互垂直的兩個(gè)偏振維度)，因此其提升通信容量的能力相對(duì)有限，而WDM憑借著其波長(zhǎng)選擇范圍寬、技術(shù)相對(duì)成熟等優(yōu)勢(shì)，與PDM相比在信道復(fù)用能力和提升通信容量的性能上有著更佳的表現(xiàn)[33,35-36]。正如參考文獻(xiàn)[38]和[40]所提到的，在實(shí)際中為充分發(fā)揮PDM與WDM的優(yōu)勢(shì)，人們也嘗試了在OAM-DM系統(tǒng)中同時(shí)聯(lián)用PDM與WDM技術(shù)以追求更高的通信容量與頻譜效率，并且取得了較為優(yōu)異的性能表現(xiàn)，這使得OAM-DM系統(tǒng)中聯(lián)用多種復(fù)用技術(shù)的方案為人們進(jìn)一步研究更高速率的OAM光通信技術(shù)提供了新思路[38,40]。此外，過去也有相關(guān)的工作在OAM-DM系統(tǒng)中采用了SDM技術(shù)[34]，盡管在通信性能上取得了較好的表現(xiàn)，但是由于SDM在實(shí)驗(yàn)操作上對(duì)光束尺寸的調(diào)控精度要求較高，且半徑不同的同軸復(fù)用OAM光束在經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后其信道間的耦合作用可能會(huì)加劇，這會(huì)對(duì)通信質(zhì)量造成些許影響，因此對(duì)于SDM與OAM-DM相結(jié)合的方案還有待研究者們進(jìn)一步改進(jìn)完善。

上述這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了OAM-DM技術(shù)在提高通信容量和頻譜利用率方面具有巨大的潛力。同時(shí)，除了在自由空間構(gòu)建OAM-DM系統(tǒng)外，OAM-DM系統(tǒng)還可以應(yīng)用于光纖通信中[42-44]。從上個(gè)世紀(jì)九十年代起，研究者們就開始對(duì)光纖中OAM模式的傳輸特性展開研究，隨著研究的深入，近些年研究者們也開始將目光轉(zhuǎn)向基于OAM-DM的光纖通信系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外許多課題組也搭建了基于OAM的光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了OAM多路信道的復(fù)用[42-44]。此外，水下信道環(huán)境OAM-DM系統(tǒng)的搭建也是近些年人們的研究熱點(diǎn)之一[46-50]，其基本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建與自由空間相似，僅僅是傳輸信道環(huán)境不同，因此本章節(jié)不做過多介紹。

4 OAM光束復(fù)用技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)光通信系統(tǒng)大容量和高速率傳輸過程中，OAM復(fù)用可以高效地與其他復(fù)用方式結(jié)合在一起使用，這可以保證在原有的復(fù)用技術(shù)之上大幅度提升系統(tǒng)的通信容量和傳輸速率。在發(fā)射端，能夠高效、低串?dāng)_地產(chǎn)生復(fù)用OAM光束是OAM光通信的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。產(chǎn)生OAM復(fù)用光束的常用方法有采用分束器[34,112]、光子集成技術(shù)[107,113]、渦旋達(dá)曼光柵[40]、復(fù)合相位全息圖[27,80,115]等。其中，復(fù)合相位全息圖因其具有靈活、高效，各OAM態(tài)功率可調(diào)的特點(diǎn)，引起了廣泛的關(guān)注。除此之外，復(fù)合相位全息圖還可以用于實(shí)現(xiàn)OAM組播，在OAM復(fù)用系統(tǒng)中也得到了諸多應(yīng)用。本節(jié)對(duì)上述的幾種OAM光束的復(fù)用方法進(jìn)行了概述，并重點(diǎn)介紹了采用復(fù)合相位全息圖實(shí)現(xiàn)OAM復(fù)用的方法。

隨著精密加工與集成技術(shù)的快速發(fā)展，基于光子集成技術(shù)的OAM復(fù)用方案成為了大容量高速光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。2012年，F(xiàn)ontaine等[113]采用孔徑陣列和星形耦合器組成光子集成電路(PIC)，實(shí)現(xiàn)了OAM光束的復(fù)用。如圖6(b)所示，當(dāng)光束從右方入射到星形耦合器的輸入端口后，由于到達(dá)每個(gè)路徑長(zhǎng)度匹配波導(dǎo)入口處的光程差異會(huì)產(chǎn)生具有線性梯度相位的光束，再分別耦合到輸出端口即可產(chǎn)生具有螺旋相位梯度的OAM光束。同理，當(dāng)入射多光束時(shí)，輸出端口會(huì)產(chǎn)生復(fù)用的OAM光束。通過增加波導(dǎo)臂的數(shù)量，該結(jié)構(gòu)支持生成的OAM模式數(shù)可擴(kuò)展到32個(gè)以上，且該結(jié)構(gòu)可與單模光學(xué)元件(如光纖耦合元件、快速光電探測(cè)器)對(duì)接，具有體積小、效率高的特點(diǎn)，使得OAM空間多路復(fù)用技術(shù)在集成化的道路上邁出了一大步。2014年，Guan等[107]將混合3D光子集成電路(該混合器件由一個(gè)二氧化硅平面光波電路(PLC)和一個(gè)三維波導(dǎo)電路組成)應(yīng)用于實(shí)際的自由空間相干光通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了OAM光束的高效復(fù)用，實(shí)驗(yàn)上成功傳輸了速率為20 Gbit/s，頻譜效率為1.67 (bit/s)/Hz的正交相移鍵控(QPSK)信號(hào)且具有良好的抗干擾性能。

以DOVG為代表的光學(xué)衍射元件也可實(shí)現(xiàn)OAM光束的同軸復(fù)用，并且基于DOVG的復(fù)用方案也是由于DOVG本身獨(dú)特的相位結(jié)構(gòu)使得入射平面波衍射成能量相等的個(gè)級(jí)次的OAM光束。利用這一特點(diǎn)，如圖6(c)所示，當(dāng)束平面波沿著光柵衍射級(jí)次的角度入射時(shí)，出射端會(huì)在零級(jí)合成一束同軸光束，并且攜帶與衍射級(jí)次相關(guān)的不同OAM模式值。2015年，Lei等[40]正是基于DOVG，成功實(shí)現(xiàn)了10 OAM態(tài)、80個(gè)波長(zhǎng)和兩個(gè)偏振態(tài)的1600個(gè)獨(dú)立調(diào)制QPSK/16-QAM復(fù)用數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)，其信道容量高達(dá)160 Tbit/s。自此以后，基于DOVG的復(fù)用方案成為OAM光通信領(lǐng)域的主流方案之一，為未來大容量高速OAM光通信鏈路的設(shè)計(jì)提供了參考。

盡管基于衍射光學(xué)元件的復(fù)用原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但它要求在光學(xué)波段內(nèi)加工納米量級(jí)的超精確結(jié)構(gòu)，并且一旦結(jié)構(gòu)定型，其只能適用于特定的解調(diào)場(chǎng)合。因此實(shí)際應(yīng)用中，往往通過在計(jì)算機(jī)可調(diào)控設(shè)備SLM上加載動(dòng)態(tài)可變的相位全息圖來實(shí)現(xiàn)衍射光學(xué)元件的功能[114]。而正是由于相位全息圖的調(diào)控過程精確可控，采用復(fù)合相位全息圖產(chǎn)生復(fù)用OAM光束的方案也引起了人們廣泛的研究[27,80,115]。2006年，Lin等[80]提出一種基于復(fù)合相位全息圖的產(chǎn)生復(fù)用OAM光束的方案。該方案基于角諧波與傅里葉變換之間的理論關(guān)系，采用一種可自發(fā)更替幅值和相位的迭代算法來設(shè)計(jì)復(fù)合相位全息圖，并且通過設(shè)置算法的輸入來控制復(fù)用光束中各OAM光束的能量比重，實(shí)現(xiàn)接近90%的能量利用率，從而有效地節(jié)約系統(tǒng)的能量。但是，在該方案中仍然存在著實(shí)際光束與預(yù)設(shè)目標(biāo)光束功率分布偏差明顯的劣勢(shì)，該問題可通過優(yōu)化迭代算法提高能量轉(zhuǎn)化效率來解決。2015年，Zhu等[115]對(duì)該Lin算法進(jìn)行初步改進(jìn)，設(shè)計(jì)了另一個(gè)迭代過程來搜索一組優(yōu)化的初始權(quán)重系數(shù)并將它們應(yīng)用于Lin算法，利用該算法設(shè)計(jì)的復(fù)合全息圖可將入射光束轉(zhuǎn)換成100種OAM模式隨機(jī)間隔和50種均勻間隔的OAM復(fù)用光束，其衍射效率超過93%。2017年，合肥工業(yè)大學(xué)郭忠義研究團(tuán)隊(duì)[27]對(duì)該迭代算法進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，通過改變迭代步長(zhǎng)來擴(kuò)大權(quán)重系數(shù)的選擇范圍，同時(shí)對(duì)不同的步長(zhǎng)都使用相同的Lin算法來進(jìn)行迭代，通過這種并行運(yùn)算可以更進(jìn)一步找出最優(yōu)的解。基于該方案所產(chǎn)生的復(fù)合相位全息圖如圖6(d)所示，光束入射采用改進(jìn)的Lin算法所生成的復(fù)合相位全息圖后，其光強(qiáng)中心仍存在一個(gè)渦旋暗核，證明復(fù)合OAM光束仍然具有渦旋特性。且各OAM模式成分的功率分布與目標(biāo)功率分布相近。

事實(shí)上，通過單一元器件產(chǎn)生同軸復(fù)用OAM光束的復(fù)用技術(shù)通常被用于實(shí)現(xiàn)相同數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)制到多個(gè)OAM模式信道的OAM多播/組播通信系統(tǒng)中。2013年，Yan等[116]將單個(gè)OAM空間信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)復(fù)制到了等間距的多個(gè)OAM信道上。通過在SLM上加載優(yōu)化設(shè)計(jì)后如圖6(e)所示的組播相位全息圖，在實(shí)驗(yàn)上搭建了承載100 Gbit/s正交相移鍵控(QPSK)信號(hào)的單輸入OAM光束進(jìn)行5路和7路均衡組播的通信系統(tǒng)，且每路信道具有均衡的功率分布。相類似的復(fù)用技術(shù)還可用于特殊光束如貝塞爾OAM光束的復(fù)用系統(tǒng)。2015年，Zhu等[52]通過對(duì)復(fù)合相位全息圖的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了從高斯模式到多個(gè)同軸復(fù)用貝塞爾OAM模式的轉(zhuǎn)化，其原理如圖6(f)所示。該工作在實(shí)驗(yàn)上選擇搭載20 Gbit/s 的QPSK信號(hào)來驗(yàn)證組播性能，其結(jié)果表明，對(duì)于10 OAM信道組播，其相鄰信道間的串?dāng)_小于-15 dB，而進(jìn)行4 OAM信道組播時(shí)，串?dāng)_小于-10 dB，均彰顯出良好的通信質(zhì)量。

值得一提的是，根據(jù)光源的相干性，OAM光束的復(fù)用方式可分為兩類，即相干疊加復(fù)用和非相干疊加復(fù)用[117]。由于理論上單色激光源只發(fā)射單一頻率的光波，但在實(shí)際的多激光源的OAM-DM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，激光源輻射出的光束總以某一頻率為中心存在著一定頻率寬度，且不同激光源輻射出的光束在偏振和相位上也存在著細(xì)小偏差，所以很難實(shí)現(xiàn)多個(gè)光源發(fā)射出完全相同的光束。因此過去的OAM-SK/DM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中通常產(chǎn)生的為近似非相干的光源，其復(fù)用方式多為非相干復(fù)用，如圖6(g)所示，其總光強(qiáng)處處等于各個(gè)光束的光強(qiáng)之和。實(shí)際上，相干疊加復(fù)用的方式多用于以單個(gè)激光器為發(fā)射源的通信系統(tǒng)，例如上文論述的OAM組播通信系統(tǒng)。兩束光束頻率相同，二者之間存在相互平行的偏振分量且具有穩(wěn)定相位差的相干光場(chǎng)疊加后的光強(qiáng)即干涉光強(qiáng)，由于兩個(gè)相干光場(chǎng)疊加區(qū)域的相位差不同，導(dǎo)致每個(gè)區(qū)域的干涉光強(qiáng)呈現(xiàn)出如圖6(g)所示的不同分布。不同的疊加復(fù)用方式會(huì)使得接收端檢測(cè)到的光信號(hào)大不相同，從而直接影響通信系統(tǒng)的性能。2019年，合肥工業(yè)大學(xué)郭忠義研究團(tuán)隊(duì)[117]對(duì)基于這兩種疊加復(fù)用方式的OAM-SK通信系統(tǒng)做了對(duì)比，該工作仿真了兩種不同復(fù)用疊加方式作為發(fā)送端和兩種常用解調(diào)衍射元件(二維達(dá)曼叉形光柵和二維解調(diào)相位全息圖)作為接收端組合而成的OAM-SK通信系統(tǒng)，并嘗試傳一個(gè)灰度值圖像來對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估。其結(jié)果表明，在具有不同OAM模式值的光束相干疊加復(fù)用的過程中，由于相長(zhǎng)相消，接收端會(huì)獲得較不規(guī)則的光強(qiáng)分布，直接導(dǎo)致解調(diào)后衍射級(jí)中心位置處的高斯亮點(diǎn)的能量降低，在抽樣判決過程中發(fā)生錯(cuò)誤。而對(duì)于非相干疊加復(fù)用方案，它遵循光強(qiáng)標(biāo)量相加。不同光源之間具有很低的相互作用，因此接收端的光強(qiáng)分布較為均勻，損耗較小。因此，當(dāng)解調(diào)方案相同時(shí)，在一定的判決閾值范圍內(nèi)，采用非相干疊加復(fù)用方案所得到的圖像傳輸錯(cuò)誤率比相干疊加復(fù)用方案低，通信性能更優(yōu)。

5 OAM光束解調(diào)技術(shù)

OAM復(fù)用技術(shù)應(yīng)用到光通信中后，使得光通信系統(tǒng)獲得了超高的傳輸容量和頻譜效率，這一優(yōu)異的特性吸引了大量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。而對(duì)于OAM通信系統(tǒng)來說，接收端需要對(duì)傳輸后OAM光束所攜帶的信息進(jìn)行高質(zhì)量提取，這就使得OAM光束解調(diào)技術(shù)成為保證通信質(zhì)量的關(guān)鍵所在。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從OAM光束的特性出發(fā)，已經(jīng)提出了多種不同的OAM解調(diào)方案。常見的傳統(tǒng)方案主要包括基于螺旋相位板[74]、衍射光學(xué)元件[118-120]、相位全息圖[27]、干涉或衍射[121-128]、光學(xué)幾何變換[129-134]、模式轉(zhuǎn)換法[135]、OAM譜分析[136]的方案等。而近些年，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)特別是機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)[137]的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的OAM解調(diào)方案，如基于機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)的自適應(yīng)OAM解調(diào)方案等[22,138-146]。本節(jié)對(duì)OAM光通信中幾種傳統(tǒng)的解調(diào)方案進(jìn)行概述，并著重介紹基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新型OAM光束解調(diào)方案。

5.1 傳統(tǒng)OAM光束解調(diào)方案

以光柵為主的衍射光學(xué)元件也是解調(diào)OAM光束的選擇之一。其結(jié)構(gòu)圖如圖7(b)所示，由于該光柵不同的衍射級(jí)次上包含不同的OAM模式值，當(dāng)OAM光束中包含相反的OAM模式值時(shí)，通過觀察對(duì)應(yīng)的衍射級(jí)上是否出現(xiàn)高斯亮點(diǎn)來判斷該衍射級(jí)是否檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的OAM成份[40,118]。2010年，Cottrell等[118]在此基礎(chǔ)上提出了基于DOVG的解調(diào)方案。該方案可保證光柵各個(gè)衍射級(jí)上的能量分布接近理想的相同分布，使得基于DOVG的解調(diào)方案一度成為OAM解調(diào)技術(shù)的研究熱門。2015年，Lei等[40]將DOVG用于大容量OAM光通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了10路OAM信道攜帶QPSK/16QAM信號(hào)的同步解調(diào)，其實(shí)驗(yàn)方案如圖7(c)所示。該項(xiàng)工作對(duì)于簡(jiǎn)化OAM-FSO系統(tǒng)的設(shè)置，提高其可靠性有著積極的推動(dòng)作用。與叉型光柵的功能相似，周期漸變光柵與環(huán)形光柵也可用作OAM光束解調(diào)元件，對(duì)這兩種光柵研究工作也取得了良好的進(jìn)展[119-120]。

在實(shí)際應(yīng)用中，往往通過在SLM上加載動(dòng)態(tài)可變的相位全息圖來實(shí)現(xiàn)SPP或DOVG的功能。2019年，合肥工業(yè)大學(xué)郭忠義研究團(tuán)隊(duì)[117]對(duì)基于DOVG和計(jì)算全息圖的兩種OAM光束解調(diào)方案進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比與討論。在該工作中，對(duì)于DOVG，采用的是兩互相垂直的一維DOVG相互疊加而得到的二維DOVG；對(duì)于計(jì)算全息圖，采用的是基于改進(jìn)后的Lin迭代算法設(shè)計(jì)的各個(gè)衍射級(jí)能量取值任意可控的新型純相位二維解調(diào)全息圖。同時(shí)，該工作中還考慮了這兩種方案對(duì)相干疊加和非相干疊加OAM光束的解調(diào)效果，其結(jié)果如圖7(d)所示，二維解調(diào)相位全息圖實(shí)現(xiàn)零傳輸像素錯(cuò)誤率(PER)的判決閾值區(qū)域整體要高于二維DOVG。這是因?yàn)槎SDOVG不能將所有入射光能量集中在目標(biāo)OAM模式值上，這會(huì)對(duì)其他衍射級(jí)造成不必要的能量損失。而二維解調(diào)相位全息圖只要迭代誤差足夠小就可以實(shí)現(xiàn)能量的高效集中，因此在能量利用方面二維解調(diào)相位全息圖更為優(yōu)秀。

基于光學(xué)幾何變換的OAM解調(diào)方案近些年受到了研究人員的關(guān)注，并且取得了較大進(jìn)展。2010年，Berkhout等[129]提出一種基于光學(xué)幾何變換的高效OAM解調(diào)方案。該方案中，OAM光束先后入射兩個(gè)加載著特殊相位全息圖的SLM，分別實(shí)現(xiàn)笛卡爾坐標(biāo)下OAM光束螺旋相位到極坐標(biāo)下梯度相位的幾何變換和出射光程差的校正，接著再通過透鏡將具有不同OAM模式值的光束聚焦在如圖7(g)所示的不同橫向位置上，且亮斑的橫向位置與OAM模式數(shù)相關(guān)，因此，通過判斷焦平面上亮斑的位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)OAM模式的區(qū)分。但該方案仍然面臨著在分離間隔為1的相鄰OAM模式時(shí)會(huì)出現(xiàn)光斑重疊的問題，這種由于光束重疊所帶來的串?dāng)_在實(shí)際的通信系統(tǒng)中會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的復(fù)用能力和傳輸信號(hào)的質(zhì)量。為了解決這個(gè)問題，2013年，Mirhosseini等[130]提出使用fan-out的幾何變換技術(shù)來改善分離效果。該方案使用周期相位全息圖作為fan-out元件來對(duì)衍射光斑進(jìn)行多次復(fù)制，通過增加光斑的相位梯度使得衍射條紋更加精細(xì)，避免了光斑的重疊問題，最終實(shí)現(xiàn)解調(diào)效果的改善。此外，對(duì)光學(xué)幾何變換方案的研究也在穩(wěn)步推進(jìn)。2018年，Wen等[131]提出了基于對(duì)數(shù)螺旋幾何變換的方案。如圖7(h)所示，這種方案不僅可以實(shí)現(xiàn)OAM光束的并行、高效的解調(diào)，同時(shí)由于螺旋線變換后光束的長(zhǎng)度足夠細(xì)長(zhǎng)，與fan-out的最終解調(diào)效果類似，也有效避免了相鄰OAM模式間光斑的重疊所引入的串?dāng)_。

值得一提的是，在OAM光束的生成方案中，一組特殊設(shè)計(jì)的柱形鏡系統(tǒng)能將HG模式轉(zhuǎn)換成LG模式，事實(shí)上其逆過程也可用于OAM光束的解調(diào)，其實(shí)驗(yàn)方案如圖7(i)所示，該方法通常被稱為模式轉(zhuǎn)換法[135]。通過觀察HG光強(qiáng)圖中光斑的行數(shù)和列數(shù)，即可確定OAM模式值。

此外，基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的OAM譜分析方案也吸引了研究者的關(guān)注[136]。該方案核心在于對(duì)OAM光束入射到旋轉(zhuǎn)物體后產(chǎn)生的基模拍頻信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，由于其基模拍頻信號(hào)的角頻率是待測(cè)OAM光束與參考光束的OAM模式值之差，其幅度正比于待測(cè)OAM光束的幅度，通過對(duì)收集到的基模信號(hào)功率進(jìn)行傅里葉分析，即可得到待測(cè)OAM光束對(duì)應(yīng)的OAM譜。

5.2 新型OAM光束解調(diào)方案

過去研究者們?cè)谏鲜鲞@些傳統(tǒng)OAM方案的優(yōu)化與改進(jìn)上進(jìn)行了堅(jiān)持不懈地探索，也取得了很大進(jìn)步，推動(dòng)著OAM光通信技術(shù)不斷向前發(fā)展。但是需要指出的是，這些傳統(tǒng)解調(diào)方案在所需成本、解調(diào)速度和精度、解調(diào)范圍、器件加工難度上還有些許提升的空間(如表2所示)。此外，對(duì)于實(shí)際的OAM光通信系統(tǒng)，大氣湍流所引起的OAM光束畸變對(duì)解調(diào)工作也帶來了極大挑戰(zhàn)，因此，研究惡劣大氣傳輸環(huán)境下OAM光束的解調(diào)方案迫在眉睫。

近些年，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)憑借著其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)解析及信息處理優(yōu)勢(shì)在計(jì)算機(jī)工程及圖像處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[137]。而在OAM光通信領(lǐng)域，越來越多的人也將目光轉(zhuǎn)向該項(xiàng)技術(shù)，對(duì)基于機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)的OAM光束解調(diào)方案進(jìn)行了不斷的探索，取得了一些突破。

2014年，Krenn等[22]首次將機(jī)器學(xué)習(xí)中無監(jiān)督學(xué)習(xí)經(jīng)典模型之一的自組織映射(SOM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于OAM光通信領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn)OAM光束的解調(diào)任務(wù)。在該方案中，接收的具有不同分布特征的OAM光束強(qiáng)度畸變圖像被輸入SOM網(wǎng)絡(luò)用于訓(xùn)練，利用競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)策略，SOM網(wǎng)絡(luò)可依靠網(wǎng)絡(luò)中不同神經(jīng)元之間的互相競(jìng)爭(zhēng)不斷迭代更新神經(jīng)元上的權(quán)值以訓(xùn)練優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。在訓(xùn)練完成后，SOM網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入的不同OAM模式值光束的強(qiáng)度分布圖像有不同的響應(yīng)輸出，即可初步實(shí)現(xiàn)一般大氣湍流傳輸環(huán)境下，未知OAM光束的分類任務(wù)。

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)的OAM光束解調(diào)方案使得OAM光束的解調(diào)準(zhǔn)確率和精度上都邁上了新臺(tái)階[138]。而深度學(xué)習(xí)中監(jiān)督學(xué)習(xí)的經(jīng)典模型之一——卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolution neural network，CNN)，得益于其能使用具有局部連接和權(quán)值共享的多層表示學(xué)習(xí)技術(shù)來提取和識(shí)別輸入原始圖像的固有特征，其在實(shí)現(xiàn)OAM光束解調(diào)的任務(wù)上也有著相當(dāng)卓越的表現(xiàn)。

表2 不同OAM光束解調(diào)方案的性能比較

2017年，Doster等[139]首次將CNN引入OAM光通信領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn)OAM光束的高效解調(diào)。如圖9(a)所示，該方案中選用了CNN的經(jīng)典模型——AlexNet模型，并將其訓(xùn)練為一個(gè)OAM解調(diào)器，通過對(duì)輸入圖像強(qiáng)度分布特征的提取，依據(jù)不同OAM模式特征分布不同的特性來實(shí)現(xiàn)攜帶OAM的復(fù)用BG光束的精準(zhǔn)解調(diào)。同時(shí)，在與傳統(tǒng)的共軛解調(diào)方案的性能進(jìn)行比較后，其表現(xiàn)出的遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)解調(diào)方案解調(diào)準(zhǔn)確率的巨大優(yōu)勢(shì)，使得基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的OAM光束解調(diào)方案成為OAM光通信領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。同年，Li等[140]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CNN的m-ary自適應(yīng)解調(diào)器，并且與基于K近鄰(KNN)、樸素貝葉斯(NBC)、反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP-ANN)等網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)器進(jìn)行了性能對(duì)比，其結(jié)果如圖9(b)所示。仿真結(jié)果表明，即使在強(qiáng)湍流信道環(huán)境與1000 m的傳輸距離下，基于CNN的解調(diào)方案錯(cuò)誤率僅為0.86%，與基于KNN、NB和BP-ANN解調(diào)方案的錯(cuò)誤率相比降低了近30%。在此基礎(chǔ)上，該課題組在后續(xù)的工作中繼續(xù)深化改進(jìn)了CNN結(jié)構(gòu)層數(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了大氣湍流探測(cè)的功能，且其湍流強(qiáng)度檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)95.2%[141]。

對(duì)于實(shí)際的通信系統(tǒng)，當(dāng)基于CNN的解調(diào)方案與其他傳統(tǒng)光通信技術(shù)相結(jié)合時(shí)可保證系統(tǒng)有著更高質(zhì)量的信息傳輸與解碼能力。2018年，Tian等[142]就首次提出了一套基于8層的CNN自適應(yīng)解調(diào)器與Turbo編譯碼聯(lián)合方案的OAM-SK-FSO通信系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖9(c)所示，該工作以傳輸灰度值圖像為例，在將圖像的每個(gè)像素值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制序列后，先對(duì)其進(jìn)行Turbo編碼，后通過SLM將編碼后序列映射為不同的OAM模式值，經(jīng)過自由空間傳輸后，接收端捕獲光強(qiáng)圖像并送入訓(xùn)練好的CNN網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)OAM光束解調(diào)，最后進(jìn)行Turbo譯碼和序列的解映射，從而恢復(fù)傳輸?shù)幕叶戎祱D像。該聯(lián)合方案的提出，使得基于CNN的OAM光通信技術(shù)在系統(tǒng)化道路上邁出了一大步。同年，Zhao等[143]對(duì)傳統(tǒng)CNN做出了改進(jìn)，如圖9(d)所示，通過增加多視野池化層來多維度提取不同光強(qiáng)分布的特征，并在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中采用數(shù)據(jù)擴(kuò)增技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多角度偏移OAM光束的自適應(yīng)解調(diào)。2018年，Jiang等[144]在Li等[140]研究的基礎(chǔ)上，提出了CNN與相干解調(diào)的聯(lián)合方案。該方案框圖如圖9(e)所示，在CNN處理之前先采用相干解調(diào)技術(shù)即用本振光與傳輸?shù)腛AM光束先進(jìn)行干涉，再將捕獲的干涉圖像送入CNN進(jìn)行后續(xù)分類處理。其仿真結(jié)果表明，與非相干系統(tǒng)相比，該方案具有較高的檢測(cè)圖像信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)和更高的解調(diào)準(zhǔn)確率。

過去的工作在CNN層數(shù)較少時(shí)解調(diào)準(zhǔn)確率相對(duì)較低；而在層數(shù)較深時(shí)，訓(xùn)練參數(shù)多，計(jì)算復(fù)雜度上升且可能存在過擬合。針對(duì)這些問題，2019年，合肥工業(yè)大學(xué)郭忠義研究團(tuán)隊(duì)[145]在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算復(fù)雜度和識(shí)別準(zhǔn)確率之間做出權(quán)衡，在CPU平臺(tái)中建立了一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的6層CNN結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)方案及CNN結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖10(a)所示，在該方案中，通過在CNN訓(xùn)練過程中引入分批訓(xùn)練法與學(xué)習(xí)速率指數(shù)下降法以及在兩層全連接層之間插入dropout單元等優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了在不同大氣湍流強(qiáng)度、傳輸距離、OAM模式間間隔等情況下OAM光束的高效解調(diào)。同時(shí)，該工作中比較了解調(diào)單個(gè)OAM光束與復(fù)合OAM光束的性能表現(xiàn)，其仿真結(jié)果表明，基于該特殊設(shè)計(jì)的CNN結(jié)構(gòu)，同軸復(fù)用OAM光束即使在強(qiáng)湍流的信道環(huán)境下經(jīng)過2000 m長(zhǎng)距離傳輸后，仍能獲得96.25%的OAM解調(diào)精度，這使得對(duì)基于CNN的自適應(yīng)解調(diào)器的研究邁上了新的高度。同年，Chi等[146]對(duì)過去多種基于CNN解調(diào)器的OAM-SK系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)。如圖10(b)所示，該工作中系統(tǒng)總結(jié)了不同發(fā)射模式(包括發(fā)送單OAM光束、共軛疊加OAM光束與復(fù)合OAM光束)與不同接收方法(包括相干接收與非相干接收)下用CNN進(jìn)行解調(diào)的性能情況。該成果對(duì)推進(jìn)基于CNN的OAM解調(diào)技術(shù)的系統(tǒng)化與成熟化有一定的參考價(jià)值。

總體而言，憑借著所需成本低、速度快、精度高、解調(diào)范圍大、器件加工難度低且無需冗余的光學(xué)設(shè)備等優(yōu)勢(shì)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)的OAM光束解調(diào)方案仍是目前OAM光通信領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，該技術(shù)對(duì)今后實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的超高速解調(diào)及構(gòu)建更大容量的高速光通信網(wǎng)絡(luò)具有積極的推動(dòng)作用。

5.3 高階徑向模式的OAM光束解調(diào)方案

目前，對(duì)OAM光束解調(diào)方案的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。值得一提的是，OAM光通信系統(tǒng)中常用的LG光束，除了其攜帶的OAM模式可作為角向維度資源來利用之外，其攜帶的徑向模式(p模式)也可作為新的空間維度資源應(yīng)有用于光通信。這是因?yàn)榫哂胁煌瑥较蚰Ｊ降腖G光束之間也滿足相互正交的條件，因此徑向模式的解調(diào)方案也具有一定的研究?jī)r(jià)值。近些年，同時(shí)使用角向與徑向模式的OAM復(fù)用系統(tǒng)正在被初步探索[147-149]。

Fig .9 (a) Classical architecture of CNN——AlexNet. The black squares represent the convolution kernel used to extract image distribution features, after the input image passes through several layers of convolution layer (including activation and pooling operation), softmax classifier of the fully connection layer calculates the probability of the input belonging to each class respectively, and then realizes OAM mode classification[139]; (b) Demodulation performance comparison of adaptive demodulator based on CNN, KNN, NBC and ANN[140]; (c) Turbo-coded 16-ary OAM shift keying FSO communication system combining the CNN-based adaptive demodulator[142]; (d)Improved CNN structure with a view-pooling layer and schematic diagram of the view-pooling layer[143]; (e) Diagram of the coherently demodulated OAM-SK system based on CNN[26]

6 OAM通信的湍流效應(yīng)抑制技術(shù)

在實(shí)際的OAM光通信系統(tǒng)中，制約信號(hào)傳輸質(zhì)量的一個(gè)重要因素是大氣湍流。大氣湍流帶來的影響實(shí)質(zhì)上是因溫度隨機(jī)變化和空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)所引起的空氣折射率的波動(dòng)，極大地?cái)_動(dòng)了傳輸光束的相位波前，造成光束畸變、漂移、擴(kuò)展以及到達(dá)角偏差[150-157]，進(jìn)而帶來OAM信道間串?dāng)_，降低信道容量，使得通信質(zhì)量急劇惡化[158-162]。因此，為減輕湍流效應(yīng)，降低信道串?dāng)_以保證信號(hào)的高質(zhì)量傳輸，湍流效應(yīng)抑制技術(shù)成為了人們研究的重點(diǎn)，也取得了較大進(jìn)展[163-177]。

目前主流的湍流效應(yīng)抑制技術(shù)可分為兩大類：基于自適應(yīng)光學(xué)(AO)的抑制方案[163-173]和基于信號(hào)處理的抑制方案[174-177]。基于AO的抑制方案可對(duì)接收的OAM光束的失真波前進(jìn)行校正，其可根據(jù)技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)一步細(xì)分，如根據(jù)是否利用測(cè)量失真相位的波前傳感器(wavefront sensor，WFS)，可分為有WFS和無WFS(包括基于相位恢復(fù)算法或機(jī)器學(xué)習(xí)算法的無WFS方案等)類型；根據(jù)是否使用探測(cè)失真相位的參考光束，可以將其分為有探針和無探針類型；根據(jù)相位校正裝置位置的前后可分為預(yù)補(bǔ)償和后補(bǔ)償類型。而基于信號(hào)處理的抑制方案，較常見的是采用數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing，DSP)相關(guān)算法，如多輸入多輸出(multiple inputs and multiple outputs，MIMO)均衡算法以及信道編碼等技術(shù)，來提升通信質(zhì)量，且由于該類方案無需額外的光學(xué)裝置，在實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性方面有一定優(yōu)勢(shì)，因此也是未來大氣湍流效應(yīng)抑制方案的一個(gè)主要拓展方向之一。

6.1 基于自適應(yīng)光學(xué)(AO)的湍流效應(yīng)抑制方案

由于OAM光束相位奇點(diǎn)的存在會(huì)降低傳感器的探測(cè)精度，因此用傳統(tǒng)的波前傳感器(WFS)直接測(cè)量OAM光束的波前仍然面臨著測(cè)量結(jié)果失準(zhǔn)的難題。為了克服這個(gè)問題，2014年，Ren等[163]提出了一種利用單獨(dú)高斯探針光束進(jìn)行相位畸變傳感的AO方案。如圖12(a)所示，發(fā)射端通過偏振分束器將高斯探針光束與其偏振態(tài)正交的OAM光束復(fù)用并在湍流環(huán)境中同軸傳播，在經(jīng)歷了相同的波前畸變后，在接收端，被濾除后的高斯探針光束入射到WFS進(jìn)行波前畸變的評(píng)估，再推導(dǎo)出畸變相位的校正模式并通過反饋控制器發(fā)送到波前校正器來的兩束光進(jìn)行相位補(bǔ)償。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在采用該湍流效應(yīng)抑制方案后，相鄰OAM模式間的串?dāng)_被有效地降低了12.5 dB，功率代價(jià)提升了11 dB。同年，考慮到雙向通信鏈路中反向傳播的載波光束也有可能發(fā)生類似湍流畸變，因此該課題組在上述方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)可對(duì)雙向FSO鏈路中畸變OAM光束進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償和后補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)[164]。其概念圖如圖12(b)，TX-1和TX-2處分別生成攜帶數(shù)據(jù)的OAM載波光束并在相同大氣湍流環(huán)境中沿相反方向傳播。其中，TX-2側(cè)設(shè)置AO系統(tǒng)，對(duì)接收到的來自于TX-1的畸變OAM光束進(jìn)行相位校正，而由TX-2發(fā)出的OAM光束先經(jīng)AO系統(tǒng)的校正后再發(fā)送至TX1。隨后，在RX-1和RX-2處分別對(duì)接收到的兩路OAM波束進(jìn)行解調(diào)與信號(hào)處理。此外，針對(duì)高斯探針光束占用了一個(gè)偏振度而犧牲了復(fù)用的偏振自由度的問題，2015年，該課題組繼續(xù)對(duì)先前的工作做出改進(jìn)，提出充分利用波長(zhǎng)維度資源，使用單獨(dú)波長(zhǎng)的高斯探針光束來避免犧牲偏振自由度的AO方案[165]，其概念圖如圖12(c)，該方案使得基于AO的湍流效應(yīng)抑制在成熟化和系統(tǒng)化的道路上邁出了一大步。

盡管以GS算法和SPGD算法等相位檢索算法為代表的無WFS的AO方案在湍流效應(yīng)抑制工作上取得了較為優(yōu)秀的表現(xiàn)，但是在算法便捷度上仍有提升的空間并且其校正的范圍依舊相對(duì)有限。而近些年隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的AO方案憑借著其相應(yīng)速度快和校正質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)越來越受到人們的關(guān)注。2018年，Lohani等[173]設(shè)計(jì)了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AO方案。

如圖12(h)所示，訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于測(cè)量畸變的OAM光強(qiáng)分布，對(duì)未知湍流強(qiáng)度做出預(yù)測(cè)并推算出校正相位，通過反饋回路采用預(yù)補(bǔ)償?shù)姆绞絹頊p小湍流對(duì)OAM光束的影響。仿真結(jié)果表明，接收端接收到的經(jīng)校正后的光強(qiáng)分布與期望的光強(qiáng)分布基本相同，均方誤差指數(shù)接近于零，從而大大提高了OAM-FSO鏈路的魯棒性，這也為后續(xù)新型AO抑制方案的設(shè)計(jì)提供了新思路。

6.2 基于信號(hào)處理的湍流效應(yīng)抑制方案

目前，上述的基于AO的湍流效應(yīng)抑制方案已廣泛應(yīng)用于OAM光通信領(lǐng)域。此外，基于信號(hào)處理的湍流效應(yīng)抑制方案憑借著復(fù)雜性小、成本低廉等優(yōu)勢(shì)也吸引著研究人員的關(guān)注，取得了一系列進(jìn)展。在傳統(tǒng)無線通信領(lǐng)域常見的信號(hào)處理方法如多輸入多輸出(MIMO)均衡技術(shù)和信道編碼技術(shù)等，均可用于OAM通信系統(tǒng)中來減輕湍流效應(yīng)。

2014年，Huang等[174]實(shí)驗(yàn)上利用外差檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于OAM-FSO通信鏈路的4×4自適應(yīng)MIMO均衡器。其裝置如圖13(a)所示，首先，接收端的分光器對(duì)接收到攜帶信號(hào)的復(fù)用OAM光束進(jìn)行分束，接著進(jìn)行OAM光束解調(diào)操作，解調(diào)后的光束在與本振光束相干后一并送入光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后通過一個(gè)四通道實(shí)時(shí)示波器采樣，最后對(duì)多路采樣信號(hào)進(jìn)行離線MIMO數(shù)字信號(hào)處理。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MIMO均衡有助于減輕由湍流引起的串?dāng)_，采用MIMO均衡技術(shù)后OAM復(fù)用光通信鏈路中信號(hào)的誤差矢量幅度(EVM)和誤碼率(BER)均明顯下降，功率代價(jià)提升了4.5 dB左右。而針對(duì)MIMO技術(shù)在強(qiáng)湍流環(huán)境下可能會(huì)失效的問題，2016年，Ren等[175]提出了空間分集技術(shù)與湍流效應(yīng)抑制技術(shù)相結(jié)合的聯(lián)合方案。如圖13(b)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在弱湍流信道環(huán)境下，僅使用4×4 MIMO均衡可以幫助恢復(fù)系統(tǒng)BER，且功率代價(jià)低于2.5 dB。而在強(qiáng)湍流信道環(huán)境下，雙OAM信道可通過空間分集技術(shù)和MIMO均衡來恢復(fù)，且功率代價(jià)低于7.5 dB。此外，一些傳統(tǒng)信道編碼技術(shù)如LDPC碼[19,176-177]，Turbo碼等[19,142]也是降低湍流信道環(huán)境下通信鏈路誤碼率的良好選擇，通過信道編碼技術(shù)往往可使OAM通信鏈路的誤碼率降低4到6個(gè)數(shù)量級(jí)[19]。這些方案的提出大大提升了系統(tǒng)的魯棒性，使得OAM光通信技術(shù)在實(shí)用化的方向上邁出了一大步。

7 結(jié)論與展望

利用OAM模式值的無窮性和OAM光束之間的正交性，基于OAM的光通信技術(shù)改變了以往光通信局限于波長(zhǎng)/頻率、時(shí)間、復(fù)振幅和偏振等維度資源的現(xiàn)狀，對(duì)空間維度資源進(jìn)行了充分利用，并由此產(chǎn)生的OAM-SK及OAM-DM兩種通信機(jī)制使得傳統(tǒng)光通信技術(shù)邁上了一個(gè)新臺(tái)階。利用OAM光束作為信息載體為豐富FSO光通信系統(tǒng)中的調(diào)制方式和在空間維度方面提升信息傳輸容量提供了潛在的解決方案。本文從OAM的基本理論出發(fā)，綜述了OAM光束的種類及產(chǎn)生方案。同時(shí)，對(duì)近些年OAM-SK和OAM-DM這兩種應(yīng)用機(jī)制的典型研究方案進(jìn)行了概述，對(duì)其中涉及的OAM光束復(fù)用技術(shù)、解調(diào)技術(shù)和OAM光通信湍流效應(yīng)抑制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

隨著全球信息一體化進(jìn)程的加速，海、陸、空、天化跨場(chǎng)景的光通信網(wǎng)將會(huì)是未來通信發(fā)展的重要趨勢(shì)，而OAM光通信有望在光通信組網(wǎng)領(lǐng)域大放異彩。這就要求著OAM光通信的核心器件需向著更加小型化和集成化的方向發(fā)展。例如，研究發(fā)展具有更高刷新速率和更快響應(yīng)時(shí)間的調(diào)制器件，以滿足更加高速的通信需求；研究發(fā)展更加簡(jiǎn)易小型的解調(diào)器件以滿足大規(guī)模通信組網(wǎng)的需要。并且，通信組網(wǎng)對(duì)信道傳輸環(huán)境要求較高，這就使得需要充分考慮傳輸信道如自由空間、光纖、水下等復(fù)雜介質(zhì)的傳輸信道損耗及損傷機(jī)制，從而進(jìn)一步設(shè)計(jì)和改進(jìn)適用于復(fù)雜信道環(huán)境的OAM光通信方案?？傊琌AM光通信作為一種新型光通信技術(shù)目前已經(jīng)受到了研究人員的廣泛關(guān)注，但是仍然存在著些許問題與挑戰(zhàn)，值得進(jìn)一步深入研究和解決。此外，OAM除了在光通信領(lǐng)域有所發(fā)展，其在聲通信及傳統(tǒng)射頻通信領(lǐng)域也有著十分廣闊的應(yīng)用前景[178-179]，其未來是否能參與推動(dòng)下一代無線通信技術(shù)的革命性變革，值得期待。

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1School of Computer Science and Information Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China;2National Key Lab on Vacuum Electronics, School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, Sichuan 610054, China

Schematic illustration of physical dimension resources of photons

Overview:In recent years, expanding capacity of communication systems has become an urgent problem in the communication field, and the exploration of more communication resource dimensions has become an inevitable trend in building high-speed communication technologies. Momentum is a fundamental quantity in physics. Besides linear momentum, structural beam can also carry angular momentum, including spin angular momentum and orbital angular momentum (OAM). OAM is widely studied in classical mechanics and quantum mechanics. It should be noted that the OAM carried by the vortex beam provides a new dimension resource for the spatial domain of the light wave. Using the infinity of OAM mode values and the orthogonality between OAM mode values, OAM-based optical communication technology has changed the previous situation that optical communication is limited to dimensional resources. There are two mechanisms in current OAM-based optical communication. The first is to map the digital signal to different OAM beams and each OAM mode represents one data bit according to the diversity of the OAM modes, which is called OAM shift keying (OAM-SK). The second is to use the OAM beam as the carrier of the modulated signal and utilize the orthogonality between different OAM modes to achieve channel multiplexing so as to multiplying the channel capacity, which is called OAM division multiplexing (OAM-DM). These two communication mechanisms have brought traditional optical communication technology to a new level. In order to achieve high-quality communication performance, they are still urgent problems to make the OAM beams’ generator more integrated, and design more efficient OAM multiplexing and demodulation modules. Here, this paper introduces the basic theory of OAM, and summarizes the types of OAM beams and their generating schemes. At the same time, the typical research schemes of two application mechanisms of OAM-SK and OAM-DM in recent years are summarized, and the key technologies such as OAM multiplexing technology, demodulation technology and atmospheric turbulence suppression technology involved in them are also described in details.

Citation: Guo Z Y, Gong C F, Liu H J,Research advances of orbital angular momentum based optical communication technology[J]., 2020, 47(3): 190593

Research advances of orbital angular momentum based optical communication technology

Guo Zhongyi1*, Gong Chaofan1, Liu Hongjun1, Li Jingjing1, Wang Zikun1, Yang Yang2, Gong Yubin2

1School of Computer Science and Information Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China;2National Key Laboratory on Vacuum Electronics, School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, Sichuan 610054, China

Orbital angular momentum (OAM) carried by the vortex beam provides a new dimension resource in the spatial domain of light waves, which attracting more and more researching attentions. Since the vortex beams with different OAM mode values are orthogonal to each other, the OAM mode is introduced into the field of traditional optical communication, and two new application mechanisms are derived: OAM shift keying (OAM-SK) and OAM division multiplexing (OAM-DM), which provides a potential solution for future high-speed, high-capacity and high-spectrum efficiency optical communication technologies. Based on the basic concepts and theories of OAM beam types and their generation methods, this paper will give a brief overview of typical research cases related to the application mechanisms of these two communication systems. Three key technologies have been discussed, including OAM beam multiplexing technology, OAM beam demodulation technology, and turbulence suppression technology of OAM-based optical communication. Finally, the future developing trends and prospects of OAM-based optical communication technology are analyzed and forecasted.

orbital angular momentum; free-space optical communication; OAM multiplexing; atmosphere turbulence

TN929.1

A

10.12086/oee.2020.190593

: Guo Z Y, Gong C F, Liu H J,. Research advances of orbital angular momentum based optical communication technology[J]., 2020,47(3): 190593

2019-10-03；

2019-11-04基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61775050, 61531010)；中央高?；狙芯拷?jīng)費(fèi)(PA2019GDZC0098)

郭忠義(1981-)，男，博士，教授，主要從事先進(jìn)光通信技術(shù)、渦旋雷達(dá)技術(shù)、偏振智能信息處理、光電信息器件等的研究。E-mail：guozhongyi@hfut.edu.cn

郭忠義，龔超凡，劉洪郡，等. OAM光通信技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 光電工程，2020，47(3): 190593

Supported by National Natural Science Foundation of China (61775050, 61531010) and Fundamental Research Funds for the Central Universities of China (PA2019GDZC0098)

* E-mail: guozhongyi@hfut.edu.cn