ON轨道角动量光通信研究进展

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］．
与光纤通信系统耦合时非常困难； 另一方面，也难于
பைடு நூலகம்
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
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
第1 期
侯 金，等： 轨道角动量光通信研究进展
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（ 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） 摘 要 指出了光轨道角动量复用在增加通信容量和提高频谱效率等方面具有的巨大优势与发展前景，从光轨道 角动量光束的产生、复用解复用以及传输媒介等角度出发，简述了轨道角动量光通信相关研究的最新进展情况，探 讨了该领域内今后可能的研究方向和发展趋势． 关键词 轨道角动量； 光通信； 进展 中图分类号 TN929． 11； TN929． 12 文献标识码 A 文章编号 1672-4321（ 2014） 01-0067-06
中，测得该耦合器生成了拓扑荷数高至 9 的 OAM 模
式； 并且通过改变方形光纤中 4 个圆角的曲率半径，
其模式纯度可以调节至 96． 4% 以上． 这种改进型的
OAM 光纤耦合器，在结构上只需要一个输入光纤，减 小了加工复杂度； 并且只要求输入一束圆偏振光就可 以产生 OAM 模式，降低了对输入光束相位和偏振等 方面的要求．
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
Progress in Optical Orbital Angular Momentum Communications
Hou Jin，Wang Linzhi，Yang Chunyong，Chen Shaoping
（ Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communications，College of Electronics and Information Engineering，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China） Abstract Optical orbital angular momentum （ OAM） multiplexing is believed to have great advantages and prosperous future for enhancing channel capacity and spectral efficiency in communication systems． In this paper，from the views of OAM beams generation，OAM multiplexing / demultiplexing and OAM transmission media，the latest research progress in OAM communications has been briefly reviewed． And at the end of the paper，the research direction and the development trend in the near future are also prospected． Keywords orbital angular momentum； optical communications； progress
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．
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 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
振态和椭圆率的厄米高斯光束，并均耦合到居于中心
的环形光纤中，再通过模式叠加，在环形光纤中实现
了 OAM 光束的产生． 在耦合时，左右两侧微光纤中传 输的 x 方向振动的奇模式 HEol，d1d和上下部微光纤中传 输的 y 方向振动的偶模式 HEel，v1en 在耦合后组合生成 OAM 模式，也即 OAMl，1 = HEel，v1en + i* HEol，d1d ． 由上述耦 合过程可知，该 OAM 光束产生方法对 4 个外部微光
相对于普通光纤，光子晶体光纤（ PCF） 具有传输 损耗与色散较小，且传光特性易于调节等优点． 所以， 2012 年 Alan E． Willner 研究组又用 PCF 设计了一款 新型 OAM 模式转换器［7］． 利用如图 2（ a） 所示的 PCF 对输入的厄米高斯光进行模式变换，得到了一系列涡 旋本征模（ 如： TE0，1 ，TM0，1 ，HE2E，V1EN，HE2od，1d ） ． 当选取适 当的涡旋本征模组合进行叠加，可以得到 OAM 模 （ 如： OAM0，2 = HE2E，V1EN + i* HE2od，1d ） ． 在实验中，他们选用 As2 S3 为 PCF 的背景材料，因而与空气的折射率比为 2． 44： 1． 这种较大折射率差减少了各本征模式之间的 简并，有 利 于 本 征 模 的 组 合，也 避 免 了 对 已 生 成 的 OAM 模的干扰，从而保证 OAM 模式的纯度． 实验结 果显示： 在 1475 ～ 1997 nm 的波长范围内，色散值小 于 60 ps / nm / km； 在传输波长高达 2000 nm 时，损耗 低于 0． 03 dB / m． 色散与损耗的减小意味着 PCF 在产 生高拓扑荷的 OAM 光束方面比普通光纤更胜一筹． 此外，该设计可以产生超连续波谱，突破了传统空间 光调制器对输出光频谱带宽的限制．
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中南民族大学学报（ 自然科学版）
第 33 卷
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
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
收稿日期 作者简介 基金项目
2013-12-03 * 杨春勇（ 1975-） ，男，教授，研究方向： 光传感与光通信技术，E-mail： cyyang@ mail． scuec． edu． cn 侯 金（ 1981-） ，男，博士，研究方向： 光通信与光器件，E-mail： houjin@ mail． scuec． edu． cn 国家自然科学基金资助项目（ 11147014） ，湖北省自然科学基金资助项目（ 2013CFA052） ，智能无线通信湖北省 重点实验室开放基金资助项目（ IWC2012009）
纤的输入光有特定的要求，需要做特别的预处理． 因
此，需要额外的辅助光器件，最终造成系统功能的实
现非常复杂，不便于推广应用．
随后，他们又设计了图 1（ b） 所示的改进型 OAM
模式耦合器． 该设计将前述耦合器的 4 个外部微光纤
的输入功能整体简化等效成一个核心为方形的光纤，
并将该新光纤置于环形光纤内部． 当方形微光纤核中 输入圆偏振模 HE1c，1 = HE1x，1 ± i* HE1y，1 时，最终耦合到 环形光 纤 中 生 成 的 模 式 为 EHOl，A1M． 这 时 有 EHOl，A1M = Erexp（ ± ilφ） + Eφexp（ ± ilφ） ，，其中，Er、Eφ 分别表 示径向和方位角向的电场，而 l 与波长有关． 在实验
第 33 卷第 1 期 2014 年 3 月
中南民族大学学报（ 自然科学版） Journal of South-Central University for Nationalities（ Nat． Sci． Edition）
Vol． 33 No． 1 Mar． 2014
轨道角动量光通信研究进展
侯 金，王林枝，杨春勇* ，陈少平
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
自 2011 年开始，Alan E． Willner 教授研究组的
Yan Yan 等人先后设计了 2 种原理相似的光纤耦合 器来实现 OAM 光束的产生［25，28］． 首先，如图 1（ a） 所
示，他们利用 4 个微光纤各自输入具有特定相位、偏
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．