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實驗室，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和挑戰(zhàn)[1,2].利用光軌道角動量(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等人在實驗上證實了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)等類似的獨立光屬性，其拓?fù)浜衫碚撋峡扇o窮個，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模哂蠴AM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共同的缺點：波導(dǎo)色散較大.大的色散將使高階OAM模對波長的變化很敏感，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，德國的G. K. L. Wong[29]等人在SCIENCE雜志上報道了一種螺旋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，螺旋型的結(jié)構(gòu)將對輸入光進(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.

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，因而采用光波導(dǎo)器件實現(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上報道實現(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)亩蛎赘咚构猓紫锐詈系絻?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)中傳輸時會產(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)模集成與級聯(lián)等優(yōu)點，還可以同時產(chǎn)生多個拓?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)浜珊蛯崿F(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基本問題.目前，在復(fù)用與解復(fù)用的具體實現(xiàn)上有2種方式：一是直接采用OAM模式作為載波攜帶信號傳輸；另一種是同時對多個OAM態(tài)進(jìn)行編碼，實現(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驗室的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部分.此外，在陣列波導(dǎo)的下方還帶有加熱裝置，可以對在陣列波導(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，一束含多個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)的多個采樣輸入光在星狀耦合器各自對應(yīng)的不同輸出端口合成單模光.也就是，從中央環(huán)形光柵同時輸入的多個不同OAM態(tài)，傳輸?shù)搅诵菭铖詈掀鲗?yīng)的不同輸出波導(dǎo)端口，從而實現(xiàn)了OAM模式解復(fù)用.考慮到制作工藝存在誤差，導(dǎo)致實際陣列波導(dǎo)和分束波導(dǎo)的長度等尺寸和設(shè)計值發(fā)生偏離，引起相位偏差.這時，通過加熱裝置給陣列波導(dǎo)加熱，可以對陣列波導(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，即能把多個波導(dǎo)模式復(fù)用為多個OAM態(tài).當(dāng)多個單模波導(dǎo)的光同時從星狀耦合器右側(cè)端口輸入時，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個芯片采用相同的集成電路來驅(qū)動加熱裝置，從而完成OAM光的無線短距通信.實驗中，他們成功地實現(xiàn)了2個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)用方式是對多個OAM模態(tài)進(jìn)行編/譯碼，實現(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現(xiàn)OAM的編/譯碼[4, 30].圖5所示的是一種對OAM模式的譯碼原理圖.該譯碼器包含1個輸入端口、2個輸出端口、1個環(huán)形諧振腔、4個下行波導(dǎo)以及多個Y型分束器.因為環(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，輸入光首先耦合到環(huán)形腔中，經(jīng)震蕩形成多個階數(shù)的回音壁模式，模擬接收到多個不同拓?fù)浜蓴?shù)的OAM模式.4個等距離分布于環(huán)形諧振腔周圍的下行波導(dǎo)對諧振腔的光狀態(tài)進(jìn)行相位采樣，每個下行波導(dǎo)中得到一組具有不同相位狀態(tài)的多個模式組成的復(fù)合狀態(tài).這時，對這4個下行波導(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，傳輸系統(tǒng)的信道容量和頻譜效率會成倍數(shù)增加，已經(jīng)實現(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.實驗中，該系統(tǒng)實現(xiàn)了50個信道的復(fù)用傳輸(2個OAM的態(tài)復(fù)用，每個OAM態(tài)傳輸25個通道的波分復(fù)用信號)，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[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個部分.實驗中，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OAM模式時，傳輸容量可達(dá)到400 Gbit/s；同時采用10個波長復(fù)用和2個OAM模式(l=±1)復(fù)用時，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Γ瑖鴥?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，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實驗室的支持下，從2012年開始針對OAM光通信進(jìn)行跟蹤調(diào)研研究，在OAM信號的大氣傳輸和OAM光器件方面也已經(jīng)有了初步的積累.總的來說，因為受限于器件工藝基礎(chǔ)，國內(nèi)的研究大多數(shù)都集中于理論工作上；關(guān)于OAM光器件的實驗研究，一般都需要與國外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，獨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)〉酶玫难芯砍晒?

參 考 文 獻(xiàn)

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