光波的振幅、相位、偏振、波長(zhǎng)和時(shí)間維度已經(jīng)被廣泛利用來提高光通信容量。除了這些傳統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)，軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum, OAM）光束可以作為載波進(jìn)行多路復(fù)用，從而提高系統(tǒng)的通信容量和頻譜效率。目前，OAM通信研究已在國(guó)際上引起廣泛關(guān)注。

武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）王健教授領(lǐng)銜的多維光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MDPL：Multi-Dimensional Photonics Laboratory）一直致力于OAM光通信研究，在這個(gè)領(lǐng)域取得了系列進(jìn)展。

在光纖OAM通信研究方面：

在自由空間中，李樹輝老師提出了一種基于OAM陣列編碼的新型光通信通訊技術(shù)。通過充分利用空間維度（正交的空間模式和空間位置），單個(gè)碼元的信息量可以獲得極大提升。采用此技術(shù)方案，系統(tǒng)的空間利用率和集成度也有望被提高。利用4個(gè)空間位置，每個(gè)位置包含5或6個(gè)OAM態(tài)，在實(shí)驗(yàn)中展示了625碼元和1296碼元的高維編碼通信并評(píng)估了數(shù)據(jù)信息和圖像信息在湍流下傳輸?shù)男阅堋Ｔ摴ぷ饕哉撐?ldquo;Experimental demonstration of optical interconnects exploiting orbital angular momentum array”發(fā)表在Optics Express (vol. 25, no. 18, pp. 21537-21547, 2017)上。

在光纖OAM通信中，博士生王璐璐提出了基于無載波幅相調(diào)制的模分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在1.1km帶有溝槽結(jié)構(gòu)的橢圓光纖中實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)模式（LP01和LP11a）的復(fù)用。2.5-Gbaud CAP-16信號(hào)作為下行傳輸信號(hào)，成功實(shí)現(xiàn)了服務(wù)于4個(gè)終端用戶并且單用戶凈速率達(dá)到5 Gb/s。該工作以論文“MDM transmission of CAP-16 signals over 1.1- km anti-bending trench-assisted elliptical-core few-mode fiber in passive optical networks” 發(fā)表在Optics Express (Vol.25, No.19, pp. 22991-23002, 2017)上。

博士生朱龍實(shí)現(xiàn)了2.6公里OM3多模光纖中OAM模群復(fù)用傳輸。在實(shí)驗(yàn)中分別使用了4個(gè)模式(OAM0,1, OAM-1,1/OAM+1,1, OAM+2,1, and OAM+3,1)的傳輸，并且獲得良好的通信性能。該工作以論文“Orbital angular momentum mode groups multiplexing transmission over 2.6-km conventional multi-mode fiber” 發(fā)表在Optics Express (Vol.25, No.21, pp. 25637-25645, 2017)上。

根據(jù)課題組研究的進(jìn)一步深入，博士生王安冬等人提出一種更低計(jì)算復(fù)雜度的基于傳統(tǒng)多模光纖的OAM模式復(fù)用通信方案。通過利用多模光纖模群內(nèi)部模式有效折射率差較小，但模群之間具有大有效折射率差的特性，采用模群間無干擾復(fù)用和模群內(nèi)小規(guī)模MIMO輔助復(fù)用相結(jié)合的復(fù)用方式來大大降低系統(tǒng)復(fù)雜性與算法復(fù)雜度，僅通過2X2 和4X4 MIMO-DSP實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了6個(gè)OAM模式的10-Gbaud QPSK信號(hào)在8.8 km MMF中的復(fù)用傳輸，總傳輸容量為120 Gbit/s，六路OAM模式7% 前向糾錯(cuò)碼（FEC）門限下的OSNR代價(jià)都小于2.5 dB。2018年4月9日，光學(xué)期刊Optics Express (Vol.26, No.8, pp. 10038-10047, 2018)發(fā)表了題為“6個(gè)軌道角動(dòng)量模式在8.8 km傳統(tǒng)多模光纖中的復(fù)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。

水下通信是海洋監(jiān)測(cè)與海洋開發(fā)中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)水下通信系統(tǒng)容量可持續(xù)地增長(zhǎng)，光的空間維度可以引入到現(xiàn)有的水下無線光通信。在空分復(fù)用技術(shù)中，利用軌道角動(dòng)量（OAM）進(jìn)行復(fù)用被廣泛的研究。

博士生趙一凡首次在水下實(shí)現(xiàn)了4路軌道角動(dòng)量模式廣播通信，每路通道攜帶1.5-Gbaud 8-QAM-OFDM信號(hào)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中我們驗(yàn)證了更高調(diào)制格式的可能性。該方案具有可拓展性，軌道角動(dòng)量模式數(shù)可以進(jìn)一步提高。相關(guān)研究成果以論文“Demonstration of data-carrying orbital angular momentum-based underwater wireless optical multicasting link”發(fā)表在Optics Express (Vol.25, PP. 28743-28751, 2017).

同時(shí)，為了解決水位的變化會(huì)導(dǎo)致的跨空水界面光通信中光束發(fā)生偏移從而造成光信號(hào)接收對(duì)準(zhǔn)問題，武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室光電子器件與集成功能實(shí)驗(yàn)室王健教授和博士生王安冬等人設(shè)計(jì)了一種可以根據(jù)接收到的OAM光束的強(qiáng)度分布自適應(yīng)反饋的反射裝置來實(shí)現(xiàn)光束的重新對(duì)準(zhǔn)，并在長(zhǎng)度為2 m的長(zhǎng)方形水箱搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證。為了驗(yàn)證跨空水界面的數(shù)據(jù)信息傳輸性能，傳輸了靈活性較高的離散多音調(diào)制信號(hào)，并通過比較無反饋裝置與有反饋裝置下的系統(tǒng)誤碼率性能曲線，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的反饋裝置的有效性。2018年3月26日，光學(xué)期刊Optics Express (Vol.26, No.7, pp. 8669-8678, 2018)發(fā)表了題為“基于反饋裝置的渦旋光水-空-水信息交換系統(tǒng)”（Adaptive water-air-water data information transfer using orbital angular momentum）的研究成果。

另外，在OAM機(jī)理上，光為何會(huì)攜帶角動(dòng)量，而且表現(xiàn)出不同的形式。針對(duì)這個(gè)問題，博士生方良從光的電場(chǎng)矢量演變角度出發(fā)，推導(dǎo)了光的各個(gè)維度角動(dòng)量表達(dá)形式，分析了它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，包括縱向自旋與軌道角動(dòng)量，自旋軌道耦合，橫向自旋角動(dòng)量，以及圓偏振狀態(tài)下的螺旋自旋流等。結(jié)果表明，光的縱向自旋和軌道角動(dòng)量與光的電場(chǎng)矢量疊加有關(guān)，依賴于疊加電場(chǎng)分量的相位差與振幅大小。研究發(fā)現(xiàn)，自旋軌道耦合效應(yīng)以及橫向自旋是光的一種本征屬性，普遍存在，只是在非旁軸情況下，由于縱向電場(chǎng)的增強(qiáng)而表現(xiàn)得很強(qiáng)烈。自旋軌道耦合以及橫向自旋在微納光學(xué)領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值，例如橫向自旋可以應(yīng)用于光子自旋控制的單方向耦合，導(dǎo)致了近年來手性量子光學(xué)的發(fā)展。該成果以題目“Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition” 發(fā)表在Optics Express上 （Vol. 25, pp. 23364-23375, 2017)。

以上工作得到了國(guó)家973計(jì)劃課題（2014CB340004,）、國(guó)家自然科學(xué)基金(61761130082, 11574001, 11774116, 11274131, 61222502)、英國(guó)皇家協(xié)會(huì)牛頓高級(jí)研究基金、萬人計(jì)劃青年拔尖獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃(NCET-11-0182)，青年長(zhǎng)江獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃和新世紀(jì)人才計(jì)劃等項(xiàng)目支持。

文章鏈接：

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[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.
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[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.
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[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