光波的振幅、相位、偏振、波长和时间维度已经被广泛利用来提高光通信容量。除了这些传统的复用技术,轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)光束可以作为载波进行多路复用,从而提高系统的通信容量和频谱效率。目前,OAM通信研究已在国际上引起广泛关注。

武汉光电国家实验室(筹)王健教授领衔的多维光子学实验室(MDPL:Multi-Dimensional Photonics Laboratory)一直致力于OAM光通信研究,在这个领域取得了系列进展。

在光纤OAM通信研究方面:

在自由空间中,李树辉老师提出了一种基于OAM阵列编码的新型光通信通讯技术。通过充分利用空间维度(正交的空间模式和空间位置),单个码元的信息量可以获得极大提升。采用此技术方案,系统的空间利用率和集成度也有望被提高。利用4个空间位置,每个位置包含5或6个OAM态,在实验中展示了625码元和1296码元的高维编码通信并评估了数据信息和图像信息在湍流下传输的性能。该工作以论文“Experimental demonstration of optical interconnects exploiting orbital angular momentum array”发表在Optics Express (vol. 25, no. 18, pp. 21537-21547, 2017)上。

在光纤OAM通信中,博士生王璐璐提出了基于无载波幅相调制的模分复用无源光网络结构,在1.1km带有沟槽结构的椭圆光纤中实现了两个模式(LP01和LP11a)的复用。2.5-Gbaud CAP-16信号作为下行传输信号,成功实现了服务于4个终端用户并且单用户净速率达到5 Gb/s。该工作以论文“MDM transmission of CAP-16 signals over 1.1- km anti-bending trench-assisted elliptical-core few-mode fiber in passive optical networks” 发表在Optics Express (Vol.25, No.19, pp. 22991-23002, 2017)上。

博士生朱龙实现了2.6公里OM3多模光纤中OAM模群复用传输。在实验中分别使用了4个模式(OAM0,1, OAM-1,1/OAM+1,1, OAM+2,1, and OAM+3,1)的传输,并且获得良好的通信性能。该工作以论文“Orbital angular momentum mode groups multiplexing transmission over 2.6-km conventional multi-mode fiber” 发表在Optics Express (Vol.25, No.21, pp. 25637-25645, 2017)上。

根据课题组研究的进一步深入,博士生王安冬等人提出一种更低计算复杂度的基于传统多模光纤的OAM模式复用通信方案。通过利用多模光纤模群内部模式有效折射率差较小,但模群之间具有大有效折射率差的特性,采用模群间无干扰复用和模群内小规模MIMO辅助复用相结合的复用方式来大大降低系统复杂性与算法复杂度,仅通过2X2 和4X4 MIMO-DSP实验实现了6个OAM模式的10-Gbaud QPSK信号在8.8 km MMF中的复用传输,总传输容量为120 Gbit/s,六路OAM模式7% 前向纠错码(FEC)门限下的OSNR代价都小于2.5 dB。2018年4月9日,光学期刊Optics Express (Vol.26, No.8, pp. 10038-10047, 2018)发表了题为“6个轨道角动量模式在8.8 km传统多模光纤中的复用通信”(Directly using 8.8-km conventional multi-mode fiber for 6-mode orbital angular momentum multiplexing transmission)的研究成果。

水下通信是海洋监测与海洋开发中一项关键技术。为了实现水下通信系统容量可持续地增长,光的空间维度可以引入到现有的水下无线光通信。在空分复用技术中,利用轨道角动量(OAM)进行复用被广泛的研究。

博士生赵一凡首次在水下实现了4路轨道角动量模式广播通信,每路通道携带1.5-Gbaud 8-QAM-OFDM信号。同时,在实验中我们验证了更高调制格式的可能性。该方案具有可拓展性,轨道角动量模式数可以进一步提高。相关研究成果以论文“Demonstration of data-carrying orbital angular momentum-based underwater wireless optical multicasting link”发表在Optics Express (Vol.25, PP. 28743-28751, 2017).

同时,为了解决水位的变化会导致的跨空水界面光通信中光束发生偏移从而造成光信号接收对准问题,武汉光电国家实验室光电子器件与集成功能实验室王健教授和博士生王安冬等人设计了一种可以根据接收到的OAM光束的强度分布自适应反馈的反射装置来实现光束的重新对准,并在长度为2 m的长方形水箱搭建实验平台验证。为了验证跨空水界面的数据信息传输性能,传输了灵活性较高的离散多音调制信号,并通过比较无反馈装置与有反馈装置下的系统误码率性能曲线,验证了所设计的反馈装置的有效性。2018年3月26日,光学期刊Optics Express (Vol.26, No.7, pp. 8669-8678, 2018)发表了题为“基于反馈装置的涡旋光水-空-水信息交换系统”(Adaptive water-air-water data information transfer using orbital angular momentum)的研究成果。

另外,在OAM机理上,光为何会携带角动量,而且表现出不同的形式。针对这个问题,博士生方良从光的电场矢量演变角度出发,推导了光的各个维度角动量表达形式,分析了它们之间的内在联系,包括纵向自旋与轨道角动量,自旋轨道耦合,横向自旋角动量,以及圆偏振状态下的螺旋自旋流等。结果表明,光的纵向自旋和轨道角动量与光的电场矢量叠加有关,依赖于叠加电场分量的相位差与振幅大小。研究发现,自旋轨道耦合效应以及横向自旋是光的一种本征属性,普遍存在,只是在非旁轴情况下,由于纵向电场的增强而表现得很强烈。自旋轨道耦合以及横向自旋在微纳光学领域具有重要的研究价值,例如横向自旋可以应用于光子自旋控制的单方向耦合,导致了近年来手性量子光学的发展。该成果以题目“Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition” 发表在Optics Express上 (Vol. 25, pp. 23364-23375, 2017)。

以上工作得到了国家973计划课题(2014CB340004,)、国家自然科学基金(61761130082, 11574001, 11774116, 11274131, 61222502)、英国皇家协会牛顿高级研究基金、万人计划青年拔尖奖励计划 (NCET-11-0182),青年长江奖励计划和新世纪人才计划等项目支持。

文章链接:

[1] Li S, Wang J. Experimental demonstration of optical interconnects exploiting orbital angular momentum array.[J]. Optics Express, 2017, 25(18):21537-21547. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-18-21537&origin=search

[2] Wang L, Ai J, Zhu L, et al. MDM transmission of CAP-16 signals over 1.1- km anti-bending trench-assisted elliptical-core few-mode fiber in passive optical networks[J]. Optics Express, 2017, 25(19):22991-23002. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-19-22991&origin=search

[3] Zhu L, Wang A, Chen S, et al. Orbital angular momentum mode groups multiplexing transmission over 2.6-km conventional multi-mode fiber.[J]. Optics Express, 2017, 25(21):25637-25645. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-21-25637&origin=search

[4] Wang A, Zhu L, Wang L, et al. Directly using 8.8-km conventional multi-mode fiber for 6-mode orbital angular momentum multiplexing transmission[J], Optics Express.2018,26(8):10038-10047 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-8-10038&origin=search

[5] Zhao Y, Xu J, Wang A, et al. Demonstration of data-carrying orbital angular momentum-based underwater wireless optical multicasting link[J]. Optics Express, 2017, 25(23):28743. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-23-28743&origin=search

[6] Wang A, Zhu L, Zhao Y , et al. Adaptive water-air-water data information transfer using orbital angular momentum[J]. Optics Express.2018,26(7):8669-8678 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-7-8669&origin=search

[7] Fang L, Wang J. Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition.[J]. Optics Express, 2017, 25(19):23364. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-19-23364&origin=search

来源:武汉光电国家实验室(筹)