侯 金，王林枝，杨春勇，陈少平

(中南民族大学 电子信息工程学院，智能无线通信湖北省重点实验室，武汉430074)

随着宽带数据业务的普及和物联网以及云计算等大数据业务的高速发展，光通信网络也面临着传输容量不足和信道阻塞等诸多考验和挑战[1,2].利用光轨道角动量(OAM)的复用技术，能够提高通信信道容量和频谱效率[3]，可望有效地解决这些问题.因而对于OAM光通信技术的研究，近年来引起了世界各国科研工作者的广泛兴趣，取得了迅猛的发展[3-13].

OAM是具有相位因子exp(ilθ)的涡旋光束特有的物理属性，其中l表示拓扑荷，θ表示方位角.自1992年Allen等人在实验上证实了OAM存在后[14]，关于OAM的研究主要集中于光学扳手、光镊和量子纠缠等领域[15-17].有关OAM光通信的研究，在2011年南加州大学的Alan E.Willner教授和华中科技大学的王健教授共同发表的利用OAM复用实现Tbit/s光传输的研究结果之前[12]，一直未取得重大突破[18].OAM是与光的波长、偏振态等类似的独立光属性，其拓扑荷理论上可取无穷个，并且具有不同拓扑荷的OAM模式相互正交.因此，可将OAM视为一个新的自由度，与波长、偏振态等复用方式作为数据信息载体，从而大大提高通信系统容量与频谱效率，并丰富与增强光通信网络的功能[3, 5, 9-10, 12, 18-20].组建OAM光通信系统涉及到OAM光束的产生、OAM的复用与解复用和OAM信号的传输媒介等三大模块.为此，本文从这三方面出发，简要综述了OAM光通信技术研究的最新进展情况，并探讨了该领域内未来可能的研究方向和发展趋势.

1 OAM光束的产生

通常，光纤中传输的光是用厄米高斯光表示的，而具有OAM的涡旋光束则常用拉盖尔高斯光表示.式(1)表示了厄米高斯光束A(r)和拉盖尔高斯光束U(r,θ)的关系：

U(r,θ)=A(r)exp(ilθ),

(1)

其中，r表示距离高斯光束中心轴的径向距离，θ表示方位角，l表示拓扑荷.可见，只需要引入一个随方位角变化的相位因子exp(ilθ)，就可以把普通厄米高斯光束转化为OAM光束[9].根据这一原理，产生OAM光束的传统方法主要有4种：计算机全息法[21]、透镜转换法[22]、螺旋相位板法[23]和液晶空间光调制器转化法[24].然而这些方法产生的OAM光束，一方面在与光纤通信系统耦合时非常困难；另一方面，也难于与通信用光器件集成；因而不便于在实际光通信系统中广泛应用.

为了适应OAM光通信系统发展和应用的要求，近年来，研究者又提出了3种新的OAM光束产生方法：光纤耦合器转换法[3, 8, 25]、光子晶体光纤转换法[7-8]和光波导器件转化法[11, 17, 26,27].这些新方法的相继诞生，为发展适宜OAM光通信系统使用的OAM信号源做了有益的尝试.

1.1 光纤耦合器转化法

图1 用于OAM光束产生的2种光纤耦合器Fig.1 Two kinds of fiber couplers designed for OAM modes generation

这类OAM光纤耦合器在光纤上实现了OAM光束的产生，不仅突破了传统空间OAM光束产生装置的复杂与庞大等缺陷，同时也有利于OAM光纤通信技术的推广和发展.然而，这类OAM光纤耦合器存在一个共同的缺点：波导色散较大.大的色散将使高阶OAM模对波长的变化很敏感，从而引起模式的不稳定.因此，目前难以产生纯度好的高阶OAM模式.

1.2 光子晶体光纤转化法

几乎同时，德国的G. K. L. Wong[29]等人在SCIENCE杂志上报道了一种螺旋PCF模式转换器，可以产生更多拓扑荷数的OAM模式.如图2(b)所示，当激光器向该PCF中输入线性偏振的超连续光时，螺旋型的结构将对输入光进行方位角向的调制，从而使输入光的相位发生改变，最终得到具有OAM的涡旋光.除了具备图2(a)中光纤所具有的优点之外，螺旋PCF中产生的OAM拓扑荷还随着光纤结构参数(如光纤长度、光纤孔径、孔间距、扭曲率等)的变化而发生改变，因而还具有产生OAM模式丰富的优点.

图2 用于模式转化的2种PCFFig.2 Two kinds of PCFs designed for OAM modes generation

1.3 光波导器件转换法

与光纤器件相比，光波导器件具有性能稳定、体积小、成本低、模式控制较为便捷和易于集成等优点，因而采用光波导器件实现OAM模式的产生也极具发展潜力[11, 17, 26,27].2012年，英国布里斯托大学的蔡鑫伦与合作者在SCIENCE上报道实现了硅集成OAM涡旋光束发射器[11]，该发射器最小半径为3.9 μm.如图3(a)所示，在硅波导中传输的厄米高斯光，首先耦合到内壁附有周期锯齿状突起的环形波导中，在环形波导内产生回音壁模式.由于锯齿的存在，光束在环形波导中传输时会产生相差，进而使得光波矢发生变化，最终在环形波导上方发射出带有OAM模式的涡旋光.

图3 微型硅基涡旋光束发射器示意图Fig.3 Schematic of compact silicon photonic vortex emitter

该OAM涡旋光束发射器不仅具有体积小、相位敏感度低、产生OAM模式稳定和可以大规模集成与级联等优点，还可以同时产生多个拓扑荷可控的OAM光束，如图3(b)所示.研究发现，该发射器发射OAM光束的拓扑荷l与环形波导中回音壁模式的方位角相指数p和器件的结构参数q(图中锯齿的个数)有关，其关系表示为l=p-q.因此，改变参数q；或者通过调节激光器的波长来激发不同的回音壁模式，从而改变参数p；均可改变OAM的拓扑荷数.由此可见：该涡旋光束发射器只需改变少量参数即可快速精确调节拓扑荷和实现OAM模式的快速切换.但是，由前述拓扑荷表达式也可以发现，其调节拓扑荷的能力还受限于激光器的可调谐范围.

2 OAM的复用与解复用

如何高效的将具有不同拓扑荷数的OAM模式复用与解复用也是OAM光通信所要面临的一个基本问题.目前，在复用与解复用的具体实现上有2种方式：一是直接采用OAM模式作为载波携带信号传输；另一种是同时对多个OAM态进行编码，实现码分复用.

2.1 OAM模式直接复用与解复用

在OAM模式的复用技术研究方面，2012年，加州大学戴维斯分校的苏铁辉和贝尔实验室的David等人通过联合研究，在硅基集成光芯片上完成了OAM模式复用与解复用.如图4所示，该芯片的光路主要包含左侧正中央的微纳环形耦合光栅、左侧上下部的分束波导、阵列波导、右侧的星状耦合器等几个部分.此外，在阵列波导的下方还带有加热装置，可以对在阵列波导中传输的光波进行相位调控或补偿.当器件工作时，一束含多个OAM模式态的垂直入射空间光被中央环形耦合光栅接收，并转化为平面波导模式，随后被分束波导相位采样传入到阵列波导中.紧接着，阵列波导将采样光传输到星状耦合器的自由传输区.阵列波导及每个分束波导具有相同的长度，使得各采样光的相位差在经过波导传输后保持不变.在自由传输区，传输过来的采样光产生衍射和波前变化，最后不同OAM态的多个采样输入光在星状耦合器各自对应的不同输出端口合成单模光.也就是，从中央环形光栅同时输入的多个不同OAM态，传输到了星状耦合器对应的不同输出波导端口，从而实现了OAM模式解复用.考虑到制作工艺存在误差，导致实际阵列波导和分束波导的长度等尺寸和设计值发生偏离，引起相位偏差.这时，通过加热装置给阵列波导加热，可以对阵列波导和分束波导中的相位偏差进行补偿，使器件正常工作.

图4 硅光波导OAM复用器件示意图Fig.4 Waveguide layout of silicon OAM device for multiplexing OAM modes

把上述OAM模式解复用工作的过程逆向来看，即能把多个波导模式复用为多个OAM态.当多个单模波导的光同时从星状耦合器右侧端口输入时，根据光路可逆的原理，中央环形耦合光栅将输出一束含多OAM模式态的复用光，实现OAM模式的复用.因此，可以用该芯片构建集成通信信道：信道的发送端与接收端均为该芯片，并且2个芯片采用相同的集成电路来驱动加热装置，从而完成OAM光的无线短距通信.实验中，他们成功地实现了2个OAM态复用的20 Gbit/s的短距离自由空间传输.

2.2 OAM码分复用

另一种使用OAM的复用方式是对多个OAM模态进行编/译码，实现码分复用，提高频谱利用率.清华大学的黄翊东研究组的张登科等人研究了如何利用硅基光子集成芯片实现OAM的编/译码[4, 30].图5所示的是一种对OAM模式的译码原理图.该译码器包含1个输入端口、2个输出端口、1个环形谐振腔、4个下行波导以及多个Y型分束器.因为环形谐振腔中不同阶数的回音壁模式和拓扑荷数不同的OAM模式相位分布类似，因此可以用回音壁模式模拟OAM模式[30].该器件工作时，输入光首先耦合到环形腔中，经震荡形成多个阶数的回音壁模式，模拟接收到多个不同拓扑荷数的OAM模式.4个等距离分布于环形谐振腔周围的下行波导对谐振腔的光状态进行相位采样，每个下行波导中得到一组具有不同相位状态的多个模式组成的复合状态.这时，对这4个下行波导施加特定的功率和相位控制(利用Y分束器调节功率，改变波导长度调节相位)，并选择其中几个下行波导进行叠加，就可以得到输入OAM模式的译码.图中，显示了2组施加不同控制得到的译码结果，得到了2组不同的二进制码元：端口1得到[1010]，端口2得到[1100].

图5 OAM译码器原理图Fig.5 Schematic for decoding OAM signal

3 OAM的传输媒介

目前，OAM模式的传输媒介主要有自由空间和涡旋光纤2种，而且大部分研究报道都集中在自由空间光通信上[3, 9,10, 20, 31,32].自由空间OAM光通信的研究主要在于演示OAM模式复用的新原理，如当OAM模式复用和传统的波分复用技术、偏振复用技术结合使用时，传输系统的信道容量和频谱效率会成倍数增加，已经实现了超Tbit/s的高速率传输[3, 12]；涡旋光纤OAM光通信的研究则主要在于降低传输损耗和色散，从而提高传输距离，已报道了长达1.1 km的高速传输[5, 13, 33].

图6所示的是2012年Alan E.Willner研究组的Fazal等人应用OAM复用与波分复用结合在自由空间传输的一种典型系统结构图[10].该系统首先将波分复用后得到的2束高斯光分别通过空间光调制器转化成2束OAM光，然后利用光合束器将2束OAM光复用为1束OAM同心光束.该OAM复用光束在自由空间中传输约1 m后，在接收端被另一个空间光调制器转化成2束空间解复用的高斯光，最后被波分复用接收设备解复用接收.实验中，该系统实现了50个信道的复用传输(2个OAM的态复用，每个OAM态传输25个通道的波分复用信号)，传输总速率高达2 Tbit/s.

图6 OAM模式在自由空间中传输系统示意图Fig.6 Transmission of OAM modes in free space

虽然上述自由空间的OAM通信系统传输速率比较高，但是该系统易受到大气环境变化和外界的干扰，传输距离较短[10, 32]，与光纤耦合效率也较低[10].一种比较好的解决方法是采用涡旋光纤来传输OAM复合光信号[5, 13, 33].图7所示的是2013年Bozinovic等人发表的利用涡旋光纤进行OAM光通信的一种典型系统结构图[5].该系统包含OAM复用、涡旋光纤、OAM解复用、OAM检测等4个部分.实验中，利用涡旋光纤，该系统成功的将OAM复合模式传输了1.1 km.在采用单波长传输的情况下，复用4个OAM模式时，传输容量可达到400 Gbit/s；同时采用10个波长复用和2个OAM模式(l=±1)复用时，该系统的传输容量更可达1.6 Tbit/s，并且误比特率不超过3.8×10-3，实现了较长距离的大容量、低误码的OAM光通信.而据目前最新的研究报道，采用光纤传输OAM信息，理论上传输距离已经可以达到100 km[34, 35].随着技术的发展和研究的进一步深入，未来涡旋光纤的传输性能会进一步得到提高.

图7 OAM模式在光纤中传输示意图Fig.7 Transmission of OAM modes in fiber

4 结语

随着OAM光通信系统展示的巨大发展潜力，国内外研究和关注OAM光通信的科研小组越来越多[5, 11，12, 18,19].为适应OAM通信系统的需求，各种新型OAM光源、复用解复用器件、传输光纤等OAM光通信器件与系统不断涌现[5, 8, 11, 17,18, 25-27, 36]，极大地推动了OAM光通信系统的发展.在OAM光束产生方面，新发现了利用光纤/光波导产生OAM光束的方法[3, 7, 8, 11, 17, 25,27]；在OAM复用解复用方面，发展了新型的可集成OAM模式复用与解复用器件[4, 36]；在OAM的传输媒介方面，长距离涡旋光纤从无到有，性能不断得到提高[5, 13, 33].可以看出，当前国际上各研究小组正在发挥各自的优势，积极寻求合作，力求在提高OAM光通信器件与系统性能的同时，将器件光纤化或集成化，从而降低OAM通信系统的成本，突破限制OAM光通信系统实用的关键器件技术[5, 11, 36].

我国有关OAM光通信的研究进展较快，中山大学、华中科技大学、清华大学、北京理工大学、浙江大学和哈尔滨理工大学等在OAM光器件和通信系统方面都做出了突出的工作，取得了相当好的研究成果[27, 34,35, 37]；作者所在的研究小组，在中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室的支持下，从2012年开始针对OAM光通信进行跟踪调研研究，在OAM信号的大气传输和OAM光器件方面也已经有了初步的积累.总的来说，因为受限于器件工艺基础，国内的研究大多数都集中于理论工作上；关于OAM光器件的实验研究，一般都需要与国外研究机构进行合作，独立完成器件方面研究的屈指可数[27, 34，35].因此，国家自然科学基金委员会和科技部等先后将该领域列为优先发展领域进行资助，可以预料，今后我国在该领域将会取得更好的研究成果.

参 考 文 献

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