郭忠義，龔超凡，劉洪郡，李晶晶，王子坤，楊 陽，宮玉彬

OAM光通信技術研究進展

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)大學計算機與信息學院，安徽 合肥 230009；2電子科技大學電子科學與工程學院微波電真空器件國家重點實驗室，四川 成都 610054

渦旋光束攜帶的軌道角動量(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)光通信領域，衍生出兩種新的應用機制——OAM鍵控(OAM-SK)與OAM復用(OAM-DM)，這為未來實現(xiàn)高速、大容量及高頻譜效率的光通信技術提供了潛在的解決方案。本文將從OAM光束的類別和產生方法等基本概念理論出發(fā)，對這兩種通信應用機制相關的典型研究案例做簡要概述，并重點論述三種關鍵技術，包括OAM光束復用技術、OAM光束解調技術以及OAM光通信的大氣湍流效應抑制技術。最后，對OAM光通信技術的未來發(fā)展趨勢及其前景進行了分析與展望。

軌道角動量；自由空間光通信；OAM復用；大氣湍流

1 引 言

近年來，隨著現(xiàn)代信息技術產業(yè)的迅速發(fā)展，諸如物聯(lián)網、電子商務、視頻電話等大流量消耗型業(yè)務的不斷興起，人們對信息的需求量越來越大，網絡帶寬已逐漸達到瓶頸，因而擴大通信系統(tǒng)的通信容量已成為通信領域一個亟待解決的問題，對更多通信資源維度的發(fā)掘成為構建高速大容量的通信技術的必然趨勢。與電子的有限維度不同，光子具有多個基本維度，如圖1所示，包括波長/頻率、時間、復振幅(幅度，相位)、偏振及空間域[1-2]。所有與光波相關的應用幾乎都是圍繞光子的維度資源展開的，因此，通過對光子在這些物理維度上的操控，可以實現(xiàn)多種與光相關的應用[2-3]。在傳統(tǒng)光通信領域，信息載波調制主要是基于平面波，圍繞光波的波長/頻率、時間、偏振態(tài)等維度資源展開。相應地，各類復用技術，如波分復用(wavelength division multiplexing，WDM)、時分復用(time division multiplexing，TDM)、偏振復用(polarization division multiplexing，PDM)等，以及高級信號調制技術，如正交幅度調制(quadrature amplitude modulation，QAM)、脈沖位置調制(pulse position modulation，PPM)、多進制相移鍵控等推動著光通信技術不斷發(fā)展變革[3-7]。然而，近年來對于這些已有維度資源的開發(fā)幾乎達到了極限，容量危機仍然是光通信面臨的極大挑戰(zhàn)[8]。

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

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，應用于自由空間光(free space optical，F(xiàn)SO)通信領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，當前，對于OAM光束在通信與信號處理方面的應用主要包括兩種機制[19]：其一是根據(jù)OAM模式值的取值多樣性，實現(xiàn)數(shù)字信號到不同OAM光束之間的映射，每個OAM模式值代表一個數(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)等調制技術，人們稱之為OAM鍵控(OAM-SK)[20-29]。其二是將OAM光束作為調制信號的載波，利用不同OAM光束之間的正交性來實現(xiàn)信道的多路復用，從而成倍地提升成信道容量。類比于WDM、TDM、PDM等復用通信技術，人們稱之為OAM復用(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，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域有潛在應用價值[19]。但其在實際的應用設計及商業(yè)化進程中還面臨著技術和傳輸環(huán)境這兩個方面的挑戰(zhàn)。對于技術方面的發(fā)展，為實現(xiàn)高質量通信性能的OAM光通信系統(tǒng)，如何將OAM光束的生成器做得集成度更高，如何設計更加高效的OAM復用及解調模塊等仍是亟待解決的難題。此外，環(huán)境因素如大氣湍流、霧霾和障礙物等會對FSO光通信系統(tǒng)帶來惡劣的信道傳輸環(huán)境，其對OAM光束相位的擾動，使得OAM信道間串擾急劇增加，大大降低了通信系統(tǒng)的性能，因此對湍流效應抑制方案的探究也是OAM光通信技術的重中之重[19]。

本文全面綜述了基于OAM的FSO通信基本理論及關鍵技術研究進展。在簡要介紹OAM光束的基本概念、產生方案及OAM-FSO通信的應用機制后，對近些年OAM光束復用技術，OAM光束解調技術，以及OAM通信的湍流效應抑制技術的研究成果與進展進行了詳細闡述。最后，對OAM光通信技術的未來發(fā)展趨勢及其前景進行展望。

2 OAM光束的種類與產生方案

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會導致光強呈現(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系中的特解，其光場分布滿足[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構。理想情況下，貝塞爾光束光強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現(xiàn)，因此在實際的工程應用中，通常對理想貝塞爾光束進行高斯截斷來獲得近似的貝塞爾光束，即貝塞爾高斯(Bessel-Gaussian, BG)光束，其光場表達式為[51]

2.1.3 完美渦旋光束

無論是LG光束還是BG光束，其光束直徑都會隨著OAM模式值的增大而增大，這在長距離傳輸后不利于接收端的探測耦合。2013年，Ostrovsky等[56]利用加載在空間光調制器(spatial light modulator，SLM)上的獨特相位模式，在遠場生成了一種光場亮環(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)，其復振幅表達式為[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，因此在實驗環(huán)境下生成符合式(3)的POV是相當困難的。而對理想狀態(tài)下的貝塞爾光束進行傅里葉變換得到的復振幅分布僅與式(3)相差一個比例系數(shù)[57-58]，因此，在實際中人們常對BG光束進行傅里葉變換即可得到近似于式(3)的光場分布，其復振幅表達式為[57]

POV的優(yōu)勢在于攜帶任意OAM模式值的光束半徑幾乎一致，如圖2(c)所示，這使得在實現(xiàn)較長距離的OAM通信實驗時，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，針對上述幾種OAM光束物理特性的研究已經較為成熟，而對于工程應用領域，尤其是OAM-FSO通信領域，這些OAM光束憑借著其各自不同的特性也表現(xiàn)出不同的應用前景。通常，相比于BG光束、POV光束和VV光束，LG光束在實驗中生成所需的光學器件較為簡單且成本相對較低(在2.2節(jié)中詳細介紹)，因此其是目前OAM-FSO通信系統(tǒng)中應用最為廣泛和成熟的OAM光束。而對于BG光束，憑借著遇障礙物后的自恢復特性，其更適合應用于復雜信道環(huán)境下的OAM-FSO通信系統(tǒng)。對于POV光束，由于POV光環(huán)半徑與OAM模式取值無關的這一重要特性，其很好地解決了接收孔徑有限時，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，需要指出的是，由于POV只有在傅里葉透鏡的焦點處產生，在焦點位置前后仍然是BG光束，所以過去在實驗上往往通過在透鏡焦點處放置一塊顯微物鏡并在其后級聯(lián)一個透鏡來對光束進行準直的方法維持POV的長距離傳輸[59-60]。因此，在接收機孔徑有限且要實現(xiàn)較長距離的OAM-FSO通信時，POV光束將會是較好的選擇之一。此外，對于VV光束，目前的研究多在其本身的物理特性上，對其具體的應用場合(如OAM-FSO通信)的研究仍然處于起步階段，其具體的應用場景還有待于研究者們將來去進一步在理論和實驗上去細致探究。

2.2 OAM光束的產生方案

高質量OAM光束的產生是OAM光通信系統(tǒng)成功運行的關鍵。目前，OAM光束的產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生的OAM光束具有良好的光束質量，因而獲得了廣泛的研究。當泵浦光輸入到激光腔時會產生包含基模在內的多種共振模式，激光腔可對光束的橫向模態(tài)進行調控，進而可控制出射光束的空間分布、偏振和傳播特性。因此若要產生OAM光束，則需要對激光腔進行特殊設計，迫使激光在特定應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的熱透鏡效應進行橫向模式選擇[69]以及插入特殊設計的元器件，如帶有缺陷點的透鏡[71-72]等。近年來，直接在激光腔中產生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與離軸泵浦技術相結合，在Z型腔內產生渦旋光束[73]。然而，這些方法通常需要較高的泵浦光功率或特殊設計的元件，效率相對較低，其產生功率受到一定的限制，也不易產生高階OAM模式。相反地，無源方案主要指在腔外通過轉換器件將普通的高斯光束轉換成OAM光束，該方案憑借著其實現(xiàn)簡單、靈活、可控性強、實現(xiàn)方式多樣等特點，目前已成為OAM光束產生的主流方案。其常用的OAM轉換器件包括螺旋相位板(SPP)[74-79]、衍射光學元件[80-84]、模式轉換器[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后可產生具有螺旋相位的OAM光束。SPP具有很高的轉換效率，可用于大功率激光束的轉換。但是，每種SPP只能產生一種模式的OAM光束，并且在加工上具有非常嚴格的精度要求。

更為靈活、快捷的方案是通過可重構的衍射光學元件產生OAM光束，例如，空間光調制器(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態(tài)改變入射光束的參數(shù)，包括橫向平面上的光束相位，從而產生OAM光束[80-82]。一般來說，為了產生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。相對比其他的調制方法，SLM在提高效率、降低能耗、提高轉換速度和質量方面均具有明顯的優(yōu)勢。但是SLM相對昂貴，并有一個能量閾值，使其無法使用高功率激光束。近年來，在液晶SLM的基礎上，又引入了一種名為DMD的衍射光學元件，該元件成本低、刷新速度快，但衍射效率相對較低[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)產生OAM光束示意；(b) 利用模式轉換器將HG光束轉化為LG光束，(b1) 2階HG模的分解及LG模式的合成[19]，(b2)p/2模式轉換器及p模式轉換器[19]；(c) q板對圓偏振光的作用[89]；(d) L形天線組成的超表面產生OAM光束[92]；(e) 微環(huán)諧振器產生OAM光束[106]

然而，利用光學元器件產生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元件，通常由亞波長結構單元組成，如L形天線[92](如圖3(d))、V形天線[93]等?；诠獾姆瓷浜脱苌湓恚ㄟ^控制亞波長結構單元或高折射率的介質材料的結構參數(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)點是其體積小，便于集成，這使得該方案成為未來產生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現(xiàn)OAM光束的高效產生。利用光纖產生OAM光束主要包括三種方法[99-105]：光纖耦合轉換法、光子晶體光纖轉換法和光波導器件轉換法。OAM光束還可利用光子集成器件[106-111]來產生，如微環(huán)諧振器[106]等，其構造如圖3(e)所示，微環(huán)諧振器內諧振的回音壁模式具有螺旋型的相位分布，通過在其側壁上引入角向光柵，通過調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)。相較于分立的光學元器件，基于光子集成器件的OAM產生方案由于其可靠、緊湊、可擴展性的優(yōu)勢而獲得了廣泛應用。常用的不同OAM光束產生方案在多個方面的性能比較如表1所示。

3 OAM通信應用機制

在傳統(tǒng)FSO通信領域，信息載波調制主要是基于平面光波的波長/頻率、時間、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，將其應用于自由空間(FSO)光通信領域可擺脫傳統(tǒng)光通信領域信道容量受限的困境[19]。當前，對于OAM光束在通信中的應用機制主要包括以每個數(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光束作為調制信號載波的OAM復用通信(OAM-DM)[30-50]。本節(jié)將分別對這兩種OAM通信應用機制相關的典型研究案例做簡要概述。

表1 不同OAM光束產生方案的性能比較

3.1 OAM-SK通信

早在2004年，Gibson等[20]就成功利用OAM-SK機制構建了15 m的FSO通信實驗鏈路，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸和接收。如圖4(a1)所示，實驗中準直的He-Ne激光入射到SLM上，通過不斷刷新加載在SLM上的全息圖，入射光束被轉換為8個不同的OAM模式值的OAM光束，并經自由空間傳輸，在接收端通過SLM上加載的二維叉形光柵全息圖進行OAM解調。如圖4(a2)所示，光束將被分成9個與OAM模式值對應的衍射級次，其中心光束用于對準。通過每個衍射級是否出現(xiàn)中心亮斑，來確定入射光束中是否有相應的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現(xiàn)兩螺旋光束疊加的方法，該方法僅通過旋轉道威棱鏡即可實現(xiàn)兩OAM光束的10種不同的同軸疊加方式，進而可構建出OAM-SK編碼系統(tǒng)，簡化了編碼裝置。

為了驗證長距離OAM-SK通信的可行性，2014年，Krenn等[22]在維也納市上空進行了3 km傳輸距離的基于OAM模式疊加態(tài)的編譯碼通信實驗。如圖4(b)所示，激光器發(fā)射出的光束經SLM調制后產生OAM模式，后經望遠鏡系統(tǒng)對光束擴大，并利用一個高質量的大焦距鏡頭發(fā)射到接收端。在接收端，CCD相機用于捕獲投射在接收屏幕上的強度模式分布，并收集到的光強圖像集送入計算機，再利用機器學習技術來完成解調任務。通過測量串擾矩陣，該系統(tǒng)的解調錯誤率為1.7%。為進一步檢驗通信質量，該課題組嘗試將兩張灰度圖像的每個像素值映射到16個OAM模式上，利用鍵控編碼技術進行圖像信息傳輸，兩張圖片均取得了良好恢復效果。2016年，該課題組進一步進行了143 km長傳輸距離的OAM-SK編譯碼實驗[23]。如圖4(c)所示，由于超遠距離傳輸?shù)腛AM光束會出現(xiàn)發(fā)散的問題，該實驗中接收的光束直接打在“光學地面站”的墻壁上用以觀察，在用像機記錄光斑圖像后，再利用機器學習技術對光斑圖像進行分類識別，測得的總誤碼率為8.33%，證實了在超過100 km的自由空間中進行OAM-SK通信的可行性。

在OAM-SK光通信系統(tǒng)中，對復用和解調技術的優(yōu)化也是研究的重中之重。2017年，合肥工業(yè)大學郭忠義研究團隊[27]對設計傳統(tǒng)相位全息圖所需的迭代算法進行優(yōu)化，通過改變迭代步長來擴大權重系數(shù)的選擇范圍，同時在不同步長下都使用相同迭代算法來進行并行計算，從而設計出最優(yōu)的計算全息圖并用于OAM光束的產生與解調。該方案通過傳輸一張灰度圖像，驗證了其設計的計算全息圖的高效轉換效率，其通信系統(tǒng)框圖如圖4(g)所示。

值得注意的是，對于一般的OAM-SK通信系統(tǒng)而言，當傳統(tǒng)OAM光束(如LG光束)在自由空間傳輸時易受到障礙物的影響，部分或完全遮擋光路會導致鏈路連接中斷，從而降低通信質量。因此人們也將視線轉向具有無衍射特性的貝塞爾光束在光通信中的應用。2015年，Du等[28]利用貝塞爾光束成功實現(xiàn)了12 m多進制OAM-SK光通信，如圖4(h)所示，在發(fā)送端多進制數(shù)字序列信號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換成不同的隨時間變化的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行解調譯碼。該實驗探究了不同OAM模式值的貝塞爾光束的16進制和32進制編譯碼性能。其實驗結果表明，即使在傳輸路徑上存在一定的障礙物，接收端仍能實現(xiàn)零誤碼率的高質量通信性能，這使得基于貝塞爾光束的OAM通信成為光通信領域的另一個研究熱門。

此外，基于POV的OAM-SK系統(tǒng)也是人們重點關注的對象。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陣列的十六進制編解碼方案，實現(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，可以通過向特殊設計的純相位光柵中加入相移因子來調制?；谖恢煤蚈AM模式信息，二維POV陣列可以實現(xiàn)SDM和OAM-SK的功能，該方案為大容量光通信系統(tǒng)的設計提供了新思路。

3.2 OAM-DM通信

與傳統(tǒng)FSO光通信相比，OAM-DM通信機制相當于將承載調制信號的高斯載波替換為OAM光束，每束載波的OAM模式在時序上連續(xù)不變，而利用正交性，若干OAM載波光束的復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，因此，OAM-DM通信一度成為OAM光通信的研究熱點。而為了實現(xiàn)更高速率的通信，OAM-DM通常與偏振復用、波分復用、空間復用等技術相結合，這使得OAM-DM系統(tǒng)的OAM復用信道數(shù)、頻譜效率和傳輸容量不斷被突破[30-50]。

2015年，Lei等人[40]利用達曼渦旋光柵(DOVG)進行OAM光束的復用與解調，突破了并行檢測多個共線OAM光束所需的實驗裝置復雜的限制。其實驗裝置如圖5(d)所示，搭載信號的激光束沿達曼渦旋光柵的不同衍射級入射，在零級上輸出具有10種不同OAM模式值的同軸復用OAM光束，接收端通過DOVG進行解調并在10個衍射級方向檢測光信號。該方案通過采用10個OAM模式值、80個波長和兩個偏振復用，實現(xiàn)了1600個獨立調制的正交相移鍵控(QPSK)/16QAM數(shù)據(jù)傳輸，通信容量最大可達160 Tbit/s。

2016年，Zhu等[41]實驗上搭建了一個采用強度調制直接檢測(IM-DD)技術的單波長Tbit自由空間通信系統(tǒng)。該工作中采用12個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，實現(xiàn)了單波長1.44 Tbit/s的總傳輸容量，調制效率達48 bits/symbol。

由此可見，PDM、WDM、SDM等傳統(tǒng)光通信中常用的復用技術可以與OAM-DM相結合使得通信容量成倍增長。需要指出的是，通常情況下PDM僅需若干光學元器件的組合(如偏振片、偏振分束器等)即可在實驗中上相對容易地實現(xiàn)，因此OAM-DM與PDM的結合成為了常用的復用方案[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偏振維度)，因此其提升通信容量的能力相對有限，而WDM憑借著其波長選擇范圍寬、技術相對成熟等優(yōu)勢，與PDM相比在信道復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[38]和[40]所提到的，在實際中為充分發(fā)揮PDM與WDM的優(yōu)勢，人們也嘗試了在OAM-DM系統(tǒng)中同時聯(lián)用PDM與WDM技術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)用多種復用技術的方案為人們進一步研究更高速率的OAM光通信技術提供了新思路[38,40]。此外，過去也有相關的工作在OAM-DM系統(tǒng)中采用了SDM技術[34]，盡管在通信性能上取得了較好的表現(xiàn)，但是由于SDM在實驗操作上對光束尺寸的調控精度要求較高，且半徑不同的同軸復用OAM光束在經長距離傳輸后其信道間的耦合作用可能會加劇，這會對通信質量造成些許影響，因此對于SDM與OAM-DM相結合的方案還有待研究者們進一步改進完善。

上述這些實驗結果證明了OAM-DM技術在提高通信容量和頻譜利用率方面具有巨大的潛力。同時，除了在自由空間構建OAM-DM系統(tǒng)外，OAM-DM系統(tǒng)還可以應用于光纖通信中[42-44]。從上個世紀九十年代起，研究者們就開始對光纖中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向基于OAM-DM的光纖通信系統(tǒng)，國內外許多課題組也搭建了基于OAM的光纖通信實驗系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了OAM多路信道的復用[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之一[46-50]，其基本實驗系統(tǒng)的構建與自由空間相似，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光束復用技術

在實現(xiàn)光通信系統(tǒng)大容量和高速率傳輸過程中，OAM復用可以高效地與其他復用方式結合在一起使用，這可以保證在原有的復用技術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、低串擾地產生復用OAM光束是OAM光通信的一個重要研究內容。產生OAM復用光束的常用方法有采用分束器[34,112]、光子集成技術[107,113]、渦旋達曼光柵[40]、復合相位全息圖[27,80,115]等。其中，復合相位全息圖因其具有靈活、高效，各OAM態(tài)功率可調的特點，引起了廣泛的關注。除此之外，復合相位全息圖還可以用于實現(xiàn)OAM組播，在OAM復用系統(tǒng)中也得到了諸多應用。本節(jié)對上述的幾種OAM光束的復用方法進行了概述，并重點介紹了采用復合相位全息圖實現(xiàn)OAM復用的方法。

隨著精密加工與集成技術的快速發(fā)展，基于光子集成技術的OAM復用方案成為了大容量高速光通信系統(tǒng)中的關鍵技術之一。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)，實現(xiàn)了OAM光束的復用。如圖6(b)所示，當光束從右方入射到星形耦合器的輸入端口后，由于到達每個路徑長度匹配波導入口處的光程差異會產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生具有螺旋相位梯度的OAM光束。同理，當入射多光束時，輸出端口會產生復用的OAM光束。通過增加波導臂的數(shù)量，該結構支持生成的OAM模式數(shù)可擴展到32個以上，且該結構可與單模光學元件(如光纖耦合元件、快速光電探測器)對接，具有體積小、效率高的特點，使得OAM空間多路復用技術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(該混合器件由一個二氧化硅平面光波電路(PLC)和一個三維波導電路組成)應用于實際的自由空間相干光通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)了OAM光束的高效復用，實驗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)信號且具有良好的抗干擾性能。

以DOVG為代表的光學衍射元件也可實現(xiàn)OAM光束的同軸復用，并且基于DOVG的復用方案也是由于DOVG本身獨特的相位結構使得入射平面波衍射成能量相等的個級次的OAM光束。利用這一特點，如圖6(c)所示，當束平面波沿著光柵衍射級次的角度入射時，出射端會在零級合成一束同軸光束，并且攜帶與衍射級次相關的不同OAM模式值。2015年，Lei等[40]正是基于DOVG，成功實現(xiàn)了10 OAM態(tài)、80個波長和兩個偏振態(tài)的1600個獨立調制QPSK/16-QAM復用數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)，其信道容量高達160 Tbit/s。自此以后，基于DOVG的復用方案成為OAM光通信領域的主流方案之一，為未來大容量高速OAM光通信鏈路的設計提供了參考。

盡管基于衍射光學元件的復用原理相對簡單，但它要求在光學波段內加工納米量級的超精確結構，并且一旦結構定型，其只能適用于特定的解調場合。因此實際應用中，往往通過在計算機可調控設備SLM上加載動態(tài)可變的相位全息圖來實現(xiàn)衍射光學元件的功能[114]。而正是由于相位全息圖的調控過程精確可控，采用復合相位全息圖產生復用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]提出一種基于復合相位全息圖的產生復用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系，采用一種可自發(fā)更替幅值和相位的迭代算法來設計復合相位全息圖，并且通過設置算法的輸入來控制復用光束中各OAM光束的能量比重，實現(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際光束與預設目標光束功率分布偏差明顯的劣勢，該問題可通過優(yōu)化迭代算法提高能量轉化效率來解決。2015年，Zhu等[115]對該Lin算法進行初步改進，設計了另一個迭代過程來搜索一組優(yōu)化的初始權重系數(shù)并將它們應用于Lin算法，利用該算法設計的復合全息圖可將入射光束轉換成100種OAM模式隨機間隔和50種均勻間隔的OAM復用光束，其衍射效率超過93%。2017年，合肥工業(yè)大學郭忠義研究團隊[27]對該迭代算法進行了進一步優(yōu)化，通過改變迭代步長來擴大權重系數(shù)的選擇范圍，同時對不同的步長都使用相同的Lin算法來進行迭代，通過這種并行運算可以更進一步找出最優(yōu)的解。基于該方案所產生的復合相位全息圖如圖6(d)所示，光束入射采用改進的Lin算法所生成的復合相位全息圖后，其光強中心仍存在一個渦旋暗核，證明復合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功率分布相近。

事實上，通過單一元器件產生同軸復用OAM光束的復用技術通常被用于實現(xiàn)相同數(shù)據(jù)信號復制到多個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OAM空間信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)復制到了等間距的多個OAM信道上。通過在SLM上加載優(yōu)化設計后如圖6(e)所示的組播相位全息圖，在實驗上搭建了承載100 Gbit/s正交相移鍵控(QPSK)信號的單輸入OAM光束進行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。相類似的復用技術還可用于特殊光束如貝塞爾OAM光束的復用系統(tǒng)。2015年，Zhu等[52]通過對復合相位全息圖的設計與優(yōu)化，實現(xiàn)了從高斯模式到多個同軸復用貝塞爾OAM模式的轉化，其原理如圖6(f)所示。該工作在實驗上選擇搭載20 Gbit/s 的QPSK信號來驗證組播性能，其結果表明，對于10 OAM信道組播，其相鄰信道間的串擾小于-15 dB，而進行4 OAM信道組播時，串擾小于-10 dB，均彰顯出良好的通信質量。

值得一提的是，根據(jù)光源的相干性，OAM光束的復用方式可分為兩類，即相干疊加復用和非相干疊加復用[117]。由于理論上單色激光源只發(fā)射單一頻率的光波，但在實際的多激光源的OAM-DM實驗系統(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小偏差，所以很難實現(xiàn)多個光源發(fā)射出完全相同的光束。因此過去的OAM-SK/DM實驗系統(tǒng)中通常產生的為近似非相干的光源，其復用方式多為非相干復用，如圖6(g)所示，其總光強處處等于各個光束的光強之和。實際上，相干疊加復用的方式多用于以單個激光器為發(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疊加后的光強即干涉光強，由于兩個相干光場疊加區(qū)域的相位差不同，導致每個區(qū)域的干涉光強呈現(xiàn)出如圖6(g)所示的不同分布。不同的疊加復用方式會使得接收端檢測到的光信號大不相同，從而直接影響通信系統(tǒng)的性能。2019年，合肥工業(yè)大學郭忠義研究團隊[117]對基于這兩種疊加復用方式的OAM-SK通信系統(tǒng)做了對比，該工作仿真了兩種不同復用疊加方式作為發(fā)送端和兩種常用解調衍射元件(二維達曼叉形光柵和二維解調相位全息圖)作為接收端組合而成的OAM-SK通信系統(tǒng)，并嘗試傳一個灰度值圖像來對系統(tǒng)的性能進行評估。其結果表明，在具有不同OAM模式值的光束相干疊加復用的過程中，由于相長相消，接收端會獲得較不規(guī)則的光強分布，直接導致解調后衍射級中心位置處的高斯亮點的能量降低，在抽樣判決過程中發(fā)生錯誤。而對于非相干疊加復用方案，它遵循光強標量相加。不同光源之間具有很低的相互作用，因此接收端的光強分布較為均勻，損耗較小。因此，當解調方案相同時，在一定的判決閾值范圍內，采用非相干疊加復用方案所得到的圖像傳輸錯誤率比相干疊加復用方案低，通信性能更優(yōu)。

5 OAM光束解調技術

OAM復用技術應用到光通信中后，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內外學者的關注。而對于OAM通信系統(tǒng)來說，接收端需要對傳輸后OAM光束所攜帶的信息進行高質量提取，這就使得OAM光束解調技術成為保證通信質量的關鍵所在。目前，國內外學者從OAM光束的特性出發(fā)，已經提出了多種不同的OAM解調方案。常見的傳統(tǒng)方案主要包括基于螺旋相位板[74]、衍射光學元件[118-120]、相位全息圖[27]、干涉或衍射[121-128]、光學幾何變換[129-134]、模式轉換法[135]、OAM譜分析[136]的方案等。而近些年，隨著計算機科學技術特別是機器學習技術[137]的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的OAM解調方案，如基于機器學習/深度學習的自適應OAM解調方案等[22,138-146]。本節(jié)對OAM光通信中幾種傳統(tǒng)的解調方案進行概述，并著重介紹基于機器學習的新型OAM光束解調方案。

5.1 傳統(tǒng)OAM光束解調方案

以光柵為主的衍射光學元件也是解調OAM光束的選擇之一。其結構圖如圖7(b)所示，由于該光柵不同的衍射級次上包含不同的OAM模式值，當OAM光束中包含相反的OAM模式值時，通過觀察對應的衍射級上是否出現(xiàn)高斯亮點來判斷該衍射級是否檢測到對應的OAM成份[40,118]。2010年，Cottrell等[118]在此基礎上提出了基于DOVG的解調方案。該方案可保證光柵各個衍射級上的能量分布接近理想的相同分布，使得基于DOVG的解調方案一度成為OAM解調技術的研究熱門。2015年，Lei等[40]將DOVG用于大容量OAM光通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)了10路OAM信道攜帶QPSK/16QAM信號的同步解調，其實驗方案如圖7(c)所示。該項工作對于簡化OAM-FSO系統(tǒng)的設置，提高其可靠性有著積極的推動作用。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光束解調元件，對這兩種光柵研究工作也取得了良好的進展[119-120]。

在實際應用中，往往通過在SLM上加載動態(tài)可變的相位全息圖來實現(xiàn)SPP或DOVG的功能。2019年，合肥工業(yè)大學郭忠義研究團隊[117]對基于DOVG和計算全息圖的兩種OAM光束解調方案進行了詳細對比與討論。在該工作中，對于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；對于計算全息圖，采用的是基于改進后的Lin迭代算法設計的各個衍射級能量取值任意可控的新型純相位二維解調全息圖。同時，該工作中還考慮了這兩種方案對相干疊加和非相干疊加OAM光束的解調效果，其結果如圖7(d)所示，二維解調相位全息圖實現(xiàn)零傳輸像素錯誤率(PER)的判決閾值區(qū)域整體要高于二維DOVG。這是因為二維DOVG不能將所有入射光能量集中在目標OAM模式值上，這會對其他衍射級造成不必要的能量損失。而二維解調相位全息圖只要迭代誤差足夠小就可以實現(xiàn)能量的高效集中，因此在能量利用方面二維解調相位全息圖更為優(yōu)秀。

基于光學幾何變換的OAM解調方案近些年受到了研究人員的關注，并且取得了較大進展。2010年，Berkhout等[129]提出一種基于光學幾何變換的高效OAM解調方案。該方案中，OAM光束先后入射兩個加載著特殊相位全息圖的SLM，分別實現(xiàn)笛卡爾坐標下OAM光束螺旋相位到極坐標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，因此，通過判斷焦平面上亮斑的位置，可以實現(xiàn)對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模式時會出現(xiàn)光斑重疊的問題，這種由于光束重疊所帶來的串擾在實際的通信系統(tǒng)中會嚴重影響系統(tǒng)的復用能力和傳輸信號的質量。為了解決這個問題，2013年，Mirhosseini等[130]提出使用fan-out的幾何變換技術來改善分離效果。該方案使用周期相位全息圖作為fan-out元件來對衍射光斑進行多次復制，通過增加光斑的相位梯度使得衍射條紋更加精細，避免了光斑的重疊問題，最終實現(xiàn)解調效果的改善。此外，對光學幾何變換方案的研究也在穩(wěn)步推進。2018年，Wen等[131]提出了基于對數(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現(xiàn)OAM光束的并行、高效的解調，同時由于螺旋線變換后光束的長度足夠細長，與fan-out的最終解調效果類似，也有效避免了相鄰OAM模式間光斑的重疊所引入的串擾。

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

此外，基于旋轉多普勒效應的OAM譜分析方案也吸引了研究者的關注[136]。該方案核心在于對OAM光束入射到旋轉物體后產生的基模拍頻信號進行傅里葉分析，由于其基模拍頻信號的角頻率是待測OAM光束與參考光束的OAM模式值之差，其幅度正比于待測OAM光束的幅度，通過對收集到的基模信號功率進行傅里葉分析，即可得到待測OAM光束對應的OAM譜。

5.2 新型OAM光束解調方案

過去研究者們在上述這些傳統(tǒng)OAM方案的優(yōu)化與改進上進行了堅持不懈地探索，也取得了很大進步，推動著OAM光通信技術不斷向前發(fā)展。但是需要指出的是，這些傳統(tǒng)解調方案在所需成本、解調速度和精度、解調范圍、器件加工難度上還有些許提升的空間(如表2所示)。此外，對于實際的OAM光通信系統(tǒng)，大氣湍流所引起的OAM光束畸變對解調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光束的解調方案迫在眉睫。

近些年，機器學習技術憑借著其強大的數(shù)據(jù)解析及信息處理優(yōu)勢在計算機工程及圖像處理等領域得到了廣泛應用[137]。而在OAM光通信領域，越來越多的人也將目光轉向該項技術，對基于機器學習/深度學習的OAM光束解調方案進行了不斷的探索，取得了一些突破。

2014年，Krenn等[22]首次將機器學習中無監(jiān)督學習經典模型之一的自組織映射(SOM)神經網絡應用于OAM光通信領域來實現(xiàn)OAM光束的解調任務。在該方案中，接收的具有不同分布特征的OAM光束強度畸變圖像被輸入SOM網絡用于訓練，利用競爭學習策略，SOM網絡可依靠網絡中不同神經元之間的互相競爭不斷迭代更新神經元上的權值以訓練優(yōu)化網絡。在訓練完成后，SOM網絡對輸入的不同OAM模式值光束的強度分布圖像有不同的響應輸出，即可初步實現(xiàn)一般大氣湍流傳輸環(huán)境下，未知OAM光束的分類任務。

隨著深度學習技術的不斷發(fā)展，基于深度神經網絡(DNN)的OAM光束解調方案使得OAM光束的解調準確率和精度上都邁上了新臺階[138]。而深度學習中監(jiān)督學習的經典模型之一——卷積神經網絡(convolution neural network，CNN)，得益于其能使用具有局部連接和權值共享的多層表示學習技術來提取和識別輸入原始圖像的固有特征，其在實現(xiàn)OAM光束解調的任務上也有著相當卓越的表現(xiàn)。

表2 不同OAM光束解調方案的性能比較

2017年，Doster等[139]首次將CNN引入OAM光通信領域來實現(xiàn)OAM光束的高效解調。如圖9(a)所示，該方案中選用了CNN的經典模型——AlexNet模型，并將其訓練為一個OAM解調器，通過對輸入圖像強度分布特征的提取，依據(jù)不同OAM模式特征分布不同的特性來實現(xiàn)攜帶OAM的復用BG光束的精準解調。同時，在與傳統(tǒng)的共軛解調方案的性能進行比較后，其表現(xiàn)出的遠高于傳統(tǒng)解調方案解調準確率的巨大優(yōu)勢，使得基于深度學習技術的OAM光束解調方案成為OAM光通信領域一個新的研究熱點。同年，Li等[140]設計了一個基于CNN的m-ary自適應解調器，并且與基于K近鄰(KNN)、樸素貝葉斯(NBC)、反向傳播人工神經網絡(BP-ANN)等網絡的解調器進行了性能對比，其結果如圖9(b)所示。仿真結果表明，即使在強湍流信道環(huán)境與1000 m的傳輸距離下，基于CNN的解調方案錯誤率僅為0.86%，與基于KNN、NB和BP-ANN解調方案的錯誤率相比降低了近30%。在此基礎上，該課題組在后續(xù)的工作中繼續(xù)深化改進了CNN結構層數(shù)，進一步實現(xiàn)了大氣湍流探測的功能，且其湍流強度檢測準確率高達95.2%[141]。

對于實際的通信系統(tǒng)，當基于CNN的解調方案與其他傳統(tǒng)光通信技術相結合時可保證系統(tǒng)有著更高質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自適應解調器與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，在將圖像的每個像素值轉換為二進制序列后，先對其進行Turbo編碼，后通過SLM將編碼后序列映射為不同的OAM模式值，經過自由空間傳輸后，接收端捕獲光強圖像并送入訓練好的CNN網絡來實現(xiàn)OAM光束解調，最后進行Turbo譯碼和序列的解映射，從而恢復傳輸?shù)幕叶戎祱D像。該聯(lián)合方案的提出，使得基于CNN的OAM光通信技術在系統(tǒng)化道路上邁出了一大步。同年，Zhao等[143]對傳統(tǒng)CNN做出了改進，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分布的特征，并在網絡訓練過程中采用數(shù)據(jù)擴增技術，實現(xiàn)了對多角度偏移OAM光束的自適應解調。2018年，Jiang等[144]在Li等[140]研究的基礎上，提出了CNN與相干解調的聯(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技術即用本振光與傳輸?shù)腛AM光束先進行干涉，再將捕獲的干涉圖像送入CNN進行后續(xù)分類處理。其仿真結果表明，與非相干系統(tǒng)相比，該方案具有較高的檢測圖像信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)和更高的解調準確率。

過去的工作在CNN層數(shù)較少時解調準確率相對較低；而在層數(shù)較深時，訓練參數(shù)多，計算復雜度上升且可能存在過擬合。針對這些問題，2019年，合肥工業(yè)大學郭忠義研究團隊[145]在網絡計算復雜度和識別準確率之間做出權衡，在CPU平臺中建立了一個特殊設計的6層CNN結構。其系統(tǒng)方案及CNN結構設置如圖10(a)所示，在該方案中，通過在CNN訓練過程中引入分批訓練法與學習速率指數(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，實現(xiàn)了在不同大氣湍流強度、傳輸距離、OAM模式間間隔等情況下OAM光束的高效解調。同時，該工作中比較了解調單個OAM光束與復合OAM光束的性能表現(xiàn)，其仿真結果表明，基于該特殊設計的CNN結構，同軸復用OAM光束即使在強湍流的信道環(huán)境下經過2000 m長距離傳輸后，仍能獲得96.25%的OAM解調精度，這使得對基于CNN的自適應解調器的研究邁上了新的高度。同年，Chi等[146]對過去多種基于CNN解調器的OAM-SK系統(tǒng)進行了總結。如圖10(b)所示，該工作中系統(tǒng)總結了不同發(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進行解調的性能情況。該成果對推進基于CNN的OAM解調技術的系統(tǒng)化與成熟化有一定的參考價值。

總體而言，憑借著所需成本低、速度快、精度高、解調范圍大、器件加工難度低且無需冗余的光學設備等優(yōu)勢，基于機器學習/深度學習的OAM光束解調方案仍是目前OAM光通信領域中的一個研究熱點，該技術對今后實現(xiàn)光信號的超高速解調及構建更大容量的高速光通信網絡具有積極的推動作用。

5.3 高階徑向模式的OAM光束解調方案

目前，對OAM光束解調方案的研究已經取得了較大的進展。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有用于光通信。這是因為具有不同徑向模式的LG光束之間也滿足相互正交的條件，因此徑向模式的解調方案也具有一定的研究價值。近些年，同時使用角向與徑向模式的OAM復用系統(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通信的湍流效應抑制技術

在實際的OAM光通信系統(tǒng)中，制約信號傳輸質量的一個重要因素是大氣湍流。大氣湍流帶來的影響實質上是因溫度隨機變化和空氣對流運動所引起的空氣折射率的波動，極大地擾動了傳輸光束的相位波前，造成光束畸變、漂移、擴展以及到達角偏差[150-157]，進而帶來OAM信道間串擾，降低信道容量，使得通信質量急劇惡化[158-162]。因此，為減輕湍流效應，降低信道串擾以保證信號的高質量傳輸，湍流效應抑制技術成為了人們研究的重點，也取得了較大進展[163-177]。

目前主流的湍流效應抑制技術可分為兩大類：基于自適應光學(AO)的抑制方案[163-173]和基于信號處理的抑制方案[174-177]?；贏O的抑制方案可對接收的OAM光束的失真波前進行校正，其可根據(jù)技術細節(jié)進一步細分，如根據(jù)是否利用測量失真相位的波前傳感器(wavefront sensor，WFS)，可分為有WFS和無WFS(包括基于相位恢復算法或機器學習算法的無WFS方案等)類型；根據(jù)是否使用探測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補償和后補償類型。而基于信號處理的抑制方案，較常見的是采用數(shù)字信號處理(digital signal processing，DSP)相關算法，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，來提升通信質量，且由于該類方案無需額外的光學裝置，在實用性與經濟性方面有一定優(yōu)勢，因此也是未來大氣湍流效應抑制方案的一個主要拓展方向之一。

6.1 基于自適應光學(AO)的湍流效應抑制方案

由于OAM光束相位奇點的存在會降低傳感器的探測精度，因此用傳統(tǒng)的波前傳感器(WFS)直接測量OAM光束的波前仍然面臨著測量結果失準的難題。為了克服這個問題，2014年，Ren等[163]提出了一種利用單獨高斯探針光束進行相位畸變傳感的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光束復用并在湍流環(huán)境中同軸傳播，在經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進行波前畸變的評估，再推導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行相位補償。其實驗結果表明，在采用該湍流效應抑制方案后，相鄰OAM模式間的串擾被有效地降低了12.5 dB，功率代價提升了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上設計了一個可對雙向FSO鏈路中畸變OAM光束進行預補償和后補償?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側設置AO系統(tǒng)，對接收到的來自于TX-1的畸變OAM光束進行相位校正，而由TX-2發(fā)出的OAM光束先經AO系統(tǒng)的校正后再發(fā)送至TX1。隨后，在RX-1和RX-2處分別對接收到的兩路OAM波束進行解調與信號處理。此外，針對高斯探針光束占用了一個偏振度而犧牲了復用的偏振自由度的問題，2015年，該課題組繼續(xù)對先前的工作做出改進，提出充分利用波長維度資源，使用單獨波長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有限。而近些年隨著機器學習技術的迅猛發(fā)展，基于機器學習技術的AO方案憑借著其相應速度快和校正質量高等優(yōu)勢越來越受到人們的關注。2018年，Lohani等[173]設計了一種基于人工神經網絡的AO方案。

如圖12(h)所示，訓練好的人工神經網絡用于測量畸變的OAM光強分布，對未知湍流強度做出預測并推算出校正相位，通過反饋回路采用預補償?shù)姆绞絹頊p小湍流對OAM光束的影響。仿真結果表明，接收端接收到的經校正后的光強分布與期望的光強分布基本相同，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抑制方案的設計提供了新思路。

6.2 基于信號處理的湍流效應抑制方案

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

2014年，Huang等[174]實驗上利用外差檢測技術設計了一個適用于OAM-FSO通信鏈路的4×4自適應MIMO均衡器。其裝置如圖13(a)所示，首先，接收端的分光器對接收到攜帶信號的復用OAM光束進行分束，接著進行OAM光束解調操作，解調后的光束在與本振光束相干后一并送入光電二極管進行光電轉換，然后通過一個四通道實時示波器采樣，最后對多路采樣信號進行離線MIMO數(shù)字信號處理。其實驗結果表明，MIMO均衡有助于減輕由湍流引起的串擾，采用MIMO均衡技術后OAM復用光通信鏈路中信號的誤差矢量幅度(EVM)和誤碼率(BER)均明顯下降，功率代價提升了4.5 dB左右。而針對MIMO技術在強湍流環(huán)境下可能會失效的問題，2016年，Ren等[175]提出了空間分集技術與湍流效應抑制技術相結合的聯(lián)合方案。如圖13(b)所示，實驗結果證明在弱湍流信道環(huán)境下，僅使用4×4 MIMO均衡可以幫助恢復系統(tǒng)BER，且功率代價低于2.5 dB。而在強湍流信道環(huán)境下，雙OAM信道可通過空間分集技術和MIMO均衡來恢復，且功率代價低于7.5 dB。此外，一些傳統(tǒng)信道編碼技術如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，通過信道編碼技術往往可使OAM通信鏈路的誤碼率降低4到6個數(shù)量級[19]。這些方案的提出大大提升了系統(tǒng)的魯棒性，使得OAM光通信技術在實用化的方向上邁出了一大步。

7 結論與展望

利用OAM模式值的無窮性和OAM光束之間的正交性，基于OAM的光通信技術改變了以往光通信局限于波長/頻率、時間、復振幅和偏振等維度資源的現(xiàn)狀，對空間維度資源進行了充分利用，并由此產生的OAM-SK及OAM-DM兩種通信機制使得傳統(tǒng)光通信技術邁上了一個新臺階。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光束的種類及產生方案。同時，對近些年OAM-SK和OAM-DM這兩種應用機制的典型研究方案進行了概述，對其中涉及的OAM光束復用技術、解調技術和OAM光通信湍流效應抑制技術等關鍵技術進行了詳細闡述。

隨著全球信息一體化進程的加速，海、陸、空、天化跨場景的光通信網將會是未來通信發(fā)展的重要趨勢，而OAM光通信有望在光通信組網領域大放異彩。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時間的調制器件，以滿足更加高速的通信需求；研究發(fā)展更加簡易小型的解調器件以滿足大規(guī)模通信組網的需要。并且，通信組網對信道傳輸環(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、水下等復雜介質的傳輸信道損耗及損傷機制，從而進一步設計和改進適用于復雜信道環(huán)境的OAM光通信方案?？傊?，OAM光通信作為一種新型光通信技術目前已經受到了研究人員的廣泛關注，但是仍然存在著些許問題與挑戰(zhàn)，值得進一步深入研究和解決。此外，OAM除了在光通信領域有所發(fā)展，其在聲通信及傳統(tǒng)射頻通信領域也有著十分廣闊的應用前景[178-179]，其未來是否能參與推動下一代無線通信技術的革命性變革，值得期待。

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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 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基金項目：國家自然科學基金資助項目(61775050, 61531010)；中央高?；狙芯拷涃M(PA2019GDZC0098)

郭忠義(1981-)，男，博士，教授，主要從事先進光通信技術、渦旋雷達技術、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光通信技術研究進展[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