光通信中軌道角動(dòng)量技術(shù)及應(yīng)用前景分析*

賴俊森，吳冰冰，趙文玉，張海懿

（工業(yè)和信息化部電信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所 北京 100191）

1 引言

云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)和業(yè)務(wù)的高速發(fā)展對(duì)光傳送網(wǎng)絡(luò)的帶寬容量提出了越來越高的要求。隨著40 Gbit/s和100 Gbit/s等波分復(fù)用（WDM）傳輸系統(tǒng)的逐步商用，光信號(hào)電磁波屬性中的強(qiáng)度、頻率（波長(zhǎng)）、相位和偏振態(tài)等維度均已用于信號(hào)表征來提升單纖傳輸容量，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上無法繼續(xù)采用增加光信號(hào)電磁波表征維度的方式進(jìn)行擴(kuò)容，只能通過諸如光譜濾波頻譜壓縮、提高調(diào)制速率或者調(diào)制階數(shù)的方法來進(jìn)一步提高頻譜效率，由于受到非線性香農(nóng)極限和實(shí)際傳輸距離等限制，這些技術(shù)很難帶來單纖傳輸容量的突破性提升，未來單纖傳輸容量的增加面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

因?yàn)楣庑盘?hào)具有波粒二象性，業(yè)界開始研究是否可以采用光粒子特性進(jìn)行光通信傳輸容量擴(kuò)容，其中的軌道角動(dòng)量（orbital angular momentum，OAM）為可選參數(shù)之一。本文在介紹OAM技術(shù)原理和最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了OAM技術(shù)在研究及應(yīng)用中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)于OAM技術(shù)在未來光通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行討論及展望。

2 技術(shù)原理

自由電磁場(chǎng)空間的角動(dòng)量線密度可以表示為j(r)=r×p(r)，其中p(r)為動(dòng)量密度，r為傳輸距離。對(duì)于近軸光束，角動(dòng)量可分為兩部分:J=乙j(r)dr=L+S，其中，S為與光束偏振相關(guān)自旋角動(dòng)量（SAM），L為與光束空間相位相關(guān)的軌道角動(dòng)量（OAM）。光子自旋角動(dòng)量的本征態(tài)為左、右旋圓偏振，分別攜帶±h的自旋角動(dòng)量，利用光子的自旋角動(dòng)量可以構(gòu)建二維Hilbert向量空間。在相干光通信中，通過利用單模光纖中兩個(gè)正交偏振態(tài)（分別對(duì)應(yīng)左旋和右旋角動(dòng)量）進(jìn)行雙偏振復(fù)用，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了傳輸頻譜效率的倍增。

Allen等人1992年首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了軌道角動(dòng)量的存在。軌道角動(dòng)量來源于光波的螺旋相位波前，故具有軌道角動(dòng)量的光波也稱為螺旋光（optical vortices），其光電場(chǎng)中每個(gè)光子攜帶有mh的軌道角動(dòng)量，m為拓?fù)浜桑╰opological charge），可取任意整數(shù)，+表示左旋，-表示右旋，如圖1所示。相比于傳統(tǒng)的高斯光束（m=0）的平面相位波前和脈沖光強(qiáng)分布，攜帶軌道角動(dòng)量的螺旋光（m≠0），典型如拉蓋爾-高斯（Laguerre-Gauss，LG）光束，其光束沿軸向中心部分的光場(chǎng)平面中心存在光強(qiáng)暗點(diǎn)，接收光場(chǎng)的強(qiáng)度分布為圓環(huán)型，國外文獻(xiàn)稱甜甜圈型（doughnut shape）。在與高斯光束進(jìn)行干涉之后，其光強(qiáng)分布變?yōu)槁菪龡l紋，其中條紋的數(shù)量表征了m的階數(shù)，左旋和右旋表征m的符號(hào)。軌道角動(dòng)量具有無限個(gè)本征態(tài)，理論上可構(gòu)造無限維的Hilbert向量空間，如果能夠充分利用光子OAM這個(gè)維度進(jìn)行信息調(diào)制或復(fù)用，可以顯著提升單個(gè)光子攜帶的信息容量，進(jìn)而大幅提升單波長(zhǎng)和單纖的傳輸容量。

圖1 軌道角動(dòng)量的螺旋光場(chǎng)、接收光強(qiáng)度分布和干涉條紋

3 研究進(jìn)展

Zeilinger等人在2001年率先提出了OAM在量子通信中的可能應(yīng)用，Padgett等人在2004年提出了OAM在經(jīng)典通信系統(tǒng)中的可能應(yīng)用，但并沒有提出具體實(shí)驗(yàn)方案。近年來，隨著帶寬容量不足問題的日益凸顯，理論上具有無限高階復(fù)用維度的OAM光通信技術(shù)逐漸受到重視，并成為超高速光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)階段OAM光通信的研究報(bào)道主要集中在以下3個(gè)方面:

·OAM模式的光纖傳輸；

·OAM信號(hào)調(diào)制與復(fù)用；

·大容量OAM空間光/光纖傳輸系統(tǒng)。

3.1 OAM模式的光纖傳輸

Bozinovic等人在2011年首次提出了0.9 km螺旋光纖實(shí)現(xiàn)雙OAM態(tài)光子傳輸[1]。OAM光可以認(rèn)為是高階模的線性相移組合，在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF）中，由于存在較強(qiáng)的模間耦合，導(dǎo)致高階模在傳輸過程中產(chǎn)生模式簡(jiǎn)并，退化為基模，破壞了OAM狀態(tài)的穩(wěn)定性。采用特殊折射率分布設(shè)計(jì)的螺旋光纖，截面和折射率分布如圖2所示，可以對(duì)不同模式之間的傳輸常數(shù)進(jìn)行顯著的區(qū)分使其保持正交性，減輕了模間耦合的影響，可以實(shí)現(xiàn)串?dāng)_小于20 dB的OAM光纖長(zhǎng)距離傳輸。

圖2 螺旋光纖的端面光強(qiáng)分布和等效折射率曲線

Golowich等人在2012年提出了支持OAM光束傳輸?shù)男滦涂諝庑经h(huán)型光纖結(jié)構(gòu)[2]。通過采用環(huán)型空氣芯光纖結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)線偏振模向量的分離度，增大折射率對(duì)比度，從而保證OAM光的穩(wěn)定傳輸。實(shí)驗(yàn)采用大半徑（大于12 μm）環(huán)型結(jié)構(gòu)光纖，可以支持超過9個(gè)OAM狀態(tài)的穩(wěn)定傳輸。

Yan等人在2012年提出了具有方型纖芯和環(huán)型折射率分布的光纖結(jié)構(gòu)[3]。高斯光束作為基模在方型芯區(qū)傳輸，通過兩種不同結(jié)構(gòu)波導(dǎo)之間的模式耦合在光纖的環(huán)型折射率區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生OAM光束并進(jìn)行傳輸，控制輸入信號(hào)光的相位和幅度，可以調(diào)制和復(fù)用多階OAM光束。

由于OAM模式在普通單模光纖傳輸中將退化為基模，所以研發(fā)支持OAM長(zhǎng)距離傳輸?shù)男滦凸饫w是制約OAM光通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。目前公開報(bào)道中基于環(huán)型波導(dǎo)芯區(qū)結(jié)構(gòu)的多種新型螺旋光纖能夠?qū)崿F(xiàn)若干OAM模式的千米量級(jí)傳輸，但是其所能夠支持的OAM模式數(shù)量遠(yuǎn)少于空間光傳輸，并且在光纖材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性分析等方面尚處于起步階段，需要業(yè)界進(jìn)一步深入研究。

3.2 OAM信號(hào)調(diào)制與復(fù)用

Fontaine等人在2012年提出了硅基光子集成電路（PIC）的OAM復(fù)用器[4]，圓環(huán)型孔陣列光柵耦合器級(jí)聯(lián)星型耦合器，采用SMF尾纖輸出，如圖3所示。OAM光垂直入射圓環(huán)光柵波導(dǎo)產(chǎn)生耦合，將方位角相位和幅度變化轉(zhuǎn)換為空間相位分布，在星型波導(dǎo)耦合器中聚焦于不同的SMF端口輸出，最高可以支持32階的OAM光束的復(fù)用和解復(fù)用。

圖3 基于PIC的OAM復(fù)用器結(jié)構(gòu)

Huang等人在2013年提出了用于OAM空間光的光分插復(fù)用器[5]。以相位模板實(shí)現(xiàn)特定階數(shù)的OAM光束和高斯光束間的轉(zhuǎn)換，使用不同折射率分布的圓形光柵對(duì)OAM光束和高斯光束進(jìn)行不同方向的反射實(shí)現(xiàn)上下路。對(duì)100 Gbit/s的QPSK調(diào)制的OAM空間光進(jìn)行上下路時(shí)，引入的光信噪比（optical signal to noise ratio，OSNR）小于 2 dB。該課題組還提出了OAM空間光可調(diào)濾波器[6]。OAM空間光通過對(duì)數(shù)極化傳輸分類器解復(fù)用，在匯聚透鏡的焦平面的不同位置處映射為長(zhǎng)條形的光斑，位于焦平面的空間光調(diào)制器（spatial light modulator，SLM）中包含可編程的反射鏡陣列，對(duì)應(yīng)于各個(gè)OAM模式的空間位置，通過改變SLM的光柵圖案，可以反射不同的OAM光束，使其二次通過分類器合束輸出，從而實(shí)現(xiàn)OAM光束的帶通或帶阻濾波。

現(xiàn)有OAM調(diào)制與復(fù)用解復(fù)用技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同OAM模式之間的分插復(fù)用和動(dòng)態(tài)模式轉(zhuǎn)換等基本網(wǎng)絡(luò)功能，但是復(fù)用解復(fù)用器件在OAM模式到空間模式分布映射的過程中還存在光學(xué)器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸過大集成度低以及多通道間隔離度較差等一系列問題。

3.3 大容量OAM空間光纖傳輸系統(tǒng)

Wang等人在2012年提出了利用4種不同角動(dòng)量（m=+4,+8,-8,+16），雙 偏 振 復(fù) 用 的 42.8×4 Gbit/s 的16QAM 編碼光信號(hào)調(diào)制與傳輸，實(shí)現(xiàn) 25.6 bit/（s·Hz）-1頻譜效率的1.37 Tbit/s容量空間光傳輸[7]，原理如圖4所示。16QAM調(diào)制的光信號(hào)，在可編程叉形衍射光柵構(gòu)成的螺旋相位模板和SLM組成的發(fā)射機(jī)中進(jìn)行級(jí)聯(lián)調(diào)制，將強(qiáng)度高斯分布的連續(xù)光光束轉(zhuǎn)換為具有不同OAM的螺旋光，不同階數(shù)的OAM光在空間分布上呈現(xiàn)為多組不同半徑的同心圓環(huán)，可以進(jìn)行空分復(fù)用傳輸，從而實(shí)現(xiàn)頻譜效率和信道容量的提升。

Huang等人在2013年提出了24階OAM光束結(jié)合42波長(zhǎng)WDM系統(tǒng)，每波長(zhǎng)支持100 Gbit/s的QPSK信號(hào)，總信道容量達(dá)100.8 Tbit/s的空間光傳輸系統(tǒng)[8]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和復(fù)用原理如圖5所示。QPSK調(diào)制的高斯光束在SLM中產(chǎn)生不同階數(shù)的OAM光并實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用，對(duì)波長(zhǎng)間隔為100 GHz的WDM系統(tǒng)使用OAM調(diào)制，最終得到42波長(zhǎng)的 24 組 OAM 光束（兩個(gè)偏振態(tài)的 OAM±4,±7,±10,±13,±16,±19）。空間光傳輸接收解調(diào)之后的糾錯(cuò)前BER<3.8×10-3，OAM復(fù)用串?dāng)_引入的OSNR<1.8 dB。

Bozinovic等人在2013年提出了在長(zhǎng)度為1.1 km的螺旋光纖中，實(shí)現(xiàn)總?cè)萘窟_(dá)1.6 Tbit/s的OAM模分復(fù)用和WDM傳輸[9]。其中單波長(zhǎng)速率為 80 Gbit/s（20G baud的16QAM調(diào)制），雙偏振態(tài)2階OAM復(fù)用，10波長(zhǎng)WDM傳輸，如圖6所示。螺旋光纖纖芯具有圓對(duì)稱的雙折射率分布，將基模和OAM模的等效折射率有效區(qū)分，能夠支持OAM模光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸，光纖模式耦合引入的串?dāng)_小于-10 dB。經(jīng)過光纖傳輸之后，在BER=3.8×10-3時(shí)引入的最大光功率代價(jià)為2.5dB，主要來源于模間串?dāng)_和多徑干擾。

圖4 空間光OAM調(diào)制復(fù)用與解復(fù)用原理

圖5 OAM與WDM復(fù)用空間光傳輸系統(tǒng)

圖6 OAM復(fù)用光纖傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

OAM作為全新的信號(hào)調(diào)制復(fù)用維度，在提升光通信系統(tǒng)容量方面已顯示出了巨大潛力，但現(xiàn)有的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)多集中于空間光傳輸，其中的接收機(jī)探測(cè)器數(shù)值孔徑與OAM模式復(fù)用數(shù)量成正比，光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且校準(zhǔn)困難，而基于螺旋光纖的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究中OAM模式復(fù)用數(shù)量和傳輸距離也都十分有限，這些限制都需要業(yè)界進(jìn)一步深入研究解決。

4 技術(shù)挑戰(zhàn)與應(yīng)用前景

雖然基于OAM調(diào)制的光傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是OAM技術(shù)在光通信系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用仍然存在很多挑戰(zhàn)。首先，現(xiàn)網(wǎng)中使用的單模光纖，由于模間耦合和隨機(jī)雙折射導(dǎo)致的模式簡(jiǎn)并，將使OAM模式退化為基模，無法支持OAM光束的有效傳輸。盡管有研究報(bào)道基于特殊設(shè)計(jì)的螺旋光纖、多模多芯光纖或者環(huán)型折射率光纖能夠支持OAM光束的傳輸，但其傳輸距離僅為千米量級(jí)，并且能夠支持的OAM模式數(shù)量和空間光傳輸相比還很少，各種光纖在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備方法等方面還處在初步探索階段，針對(duì)螺旋光纖的傳輸損傷和非線性效應(yīng)等方面的特性尚待深入研究。其次，目前OAM光束的調(diào)制產(chǎn)生和復(fù)用解復(fù)用主要依賴于分立的空間光學(xué)器件，如相位模板、衍射光柵和空間光調(diào)制器等，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、插損大、調(diào)節(jié)困難，雖然基于光子集成技術(shù)的OAM器件研究取得了一定進(jìn)展，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝等多方面還需要長(zhǎng)期的積累，才能達(dá)到高效集成化的實(shí)用程度。最后，現(xiàn)有的OAM光通信系統(tǒng)研究均為近場(chǎng)空間光傳輸或者短距離點(diǎn)到點(diǎn)光纖傳輸，OAM光傳輸與光傳送網(wǎng)核心器件，如合分波器、摻鉺光纖放大器（EDFA）和可重構(gòu)光分叉復(fù)用器（ROADM）之間的適用性和可集成性還缺乏研究分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

基于OAM的光通信技術(shù)充分挖掘了光子信號(hào)的粒子特性，在軌道角動(dòng)量這一全新維度實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的調(diào)制復(fù)用，能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上顯著提升光通信系統(tǒng)的傳輸容量，從而滿足未來網(wǎng)絡(luò)流量帶寬增長(zhǎng)的需求，具有良好的技術(shù)前景和發(fā)展?jié)摿10]。目前的OAM光通信研究尚處于起步階段，實(shí)驗(yàn)室研究還需要突破傳輸介質(zhì)、調(diào)制解調(diào)器件、系統(tǒng)集成等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以現(xiàn)有的技術(shù)情況來看尚無明確的路線圖和時(shí)間表。如果螺旋光纖制備和器件光子集成等關(guān)鍵技術(shù)取得突破性進(jìn)展，基于光纖和PIC調(diào)制復(fù)用的OAM光傳輸將有可能轉(zhuǎn)入實(shí)用化部署，并且對(duì)光傳送網(wǎng)絡(luò)未來傳輸容量的進(jìn)一步提升帶來與WDM技術(shù)類似的重大變革。

5 結(jié)束語

光網(wǎng)絡(luò)帶寬容量需求的持續(xù)增長(zhǎng)促使人們尋找新的傳輸容量擴(kuò)容手段，OAM技術(shù)利用螺旋相位波前構(gòu)造正交向量空間，理論上可以提供無窮高階的信息調(diào)制維度，近年來受到業(yè)界越來越多重視。本文在介紹OAM機(jī)理的基礎(chǔ)上，從傳輸介質(zhì)、關(guān)鍵器件和系統(tǒng)集成3個(gè)方面對(duì)OAM技術(shù)在光通信中的研究及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)對(duì)于OAM應(yīng)用挑戰(zhàn)及發(fā)展前景進(jìn)行了分析。OAM技術(shù)為高速光傳輸提供了新的信號(hào)表征維度和調(diào)制復(fù)用方法，具有廣闊的應(yīng)用前景，并且現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)室研究也取得了一些重要進(jìn)展，但是該技術(shù)目前仍處于探索階段，有待于業(yè)界進(jìn)一步的深入研究。

1 Bozinovic N,Kristensen P,Ramachandran S.Long-range fiber-transmission of photons with orbital angular momentum.Proceedings of 2011 Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO),Baltimore,Maryland,2011

2 Golowich S,Kristensen P,Bozinovic N,et al.Fibers supporting orbital angular momentum states for information capacity scaling.Proceedings of Frontiers in Optics Conference,New York,USA,2012

3 Yan Y,Yue Y,Huang H,et al.Efficient generation and multiplexing of optical orbital angular momentum modes in a ring fiber by using multiple coherent inputs.Optics Letters,2012,37(17):3645～3647

4 Fontaine N K,Doerr C R,Buhl L L.Efficient multiplexing and demultiplexing of free-space orbital angular momentum using photonic integrated circuits.Proceedings ofOpticalFiber Communication Conference and Exposition/the National Fiber OpticEngineers Conference(OFC/NFOEC),Los Angeles,USA,2012

5 Huang H,Yang Y,Yan Y,et al.Orbital-angular-momentum-based reconfigurable and lossless optical add/drop multiplexing of multiple 100-Gbit/s channels.Proceedings of OFC,Anaheim,California,2013

6 Huang H,Ren Y X,Xie G D,et al.Tunable filter for orbital-angular-momentum multiplexed optical channels.Proceedings of CLEO,San Jose,California,2013

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8 Huang H,Xie G D,Yan Y,et al.100 Tbit/s free-space data link using orbital angular momentum mode division multiplexing combined with wavelength division multiplexing.Proceedings of OFC,Anaheim,California,USA,2013

9 Bozinovic N,Yue Y,Ren Y X,et al.Terabit-scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers.Science,2013,340(6140):1545～1548

10 Willner A E,Wang J,Huang H.A different angle on light communications.Science,2012,337(6095):655～656