光通信中軌道角動量技術及應用前景分析*

賴俊森，吳冰冰，趙文玉，張海懿

（工業和信息化部電信研究院通信標準研究所 北京 100191）

1 引言

云計算、物聯網、移動互聯網等新興技術和業務的高速發展對光傳送網絡的帶寬容量提出了越來越高的要求。隨著40 Gbit/s和100 Gbit/s等波分復用（WDM）傳輸系統的逐步商用，光信號電磁波屬性中的強度、頻率（波長）、相位和偏振態等維度均已用于信號表征來提升單纖傳輸容量，在現有基礎上無法繼續采用增加光信號電磁波表征維度的方式進行擴容，只能通過諸如光譜濾波頻譜壓縮、提高調制速率或者調制階數的方法來進一步提高頻譜效率，由于受到非線性香農極限和實際傳輸距離等限制，這些技術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峻挑戰。

因為光信號具有波粒二象性，業界開始研究是否可以采用光粒子特性進行光通信傳輸容量擴容，其中的軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）為可選參數之一。本文在介紹OAM技術原理和最新研究進展的基礎上，進一步分析了OAM技術在研究及應用中所面臨的技術挑戰，同時對于OAM技術在未來光通信領域的應用前景進行討論及展望。

2 技術原理

自由電磁場空間的角動量線密度可以表示為j(r)=r×p(r)，其中p(r)為動量密度，r為傳輸距離。對于近軸光束，角動量可分為兩部分:J=乙j(r)dr=L+S，其中，S為與光束偏振相關自旋角動量（SAM），L為與光束空間相位相關的軌道角動量（OAM）。光子自旋角動量的本征態為左、右旋圓偏振，分別攜帶±h的自旋角動量，利用光子的自旋角動量可以構建二維Hilbert向量空間。在相干光通信中，通過利用單模光纖中兩個正交偏振態（分別對應左旋和右旋角動量）進行雙偏振復用，已經實現了傳輸頻譜效率的倍增。

Allen等人1992年首次實驗驗證了軌道角動量的存在。軌道角動量來源于光波的螺旋相位波前，故具有軌道角動量的光波也稱為螺旋光（optical vortices），其光電場中每個光子攜帶有mh的軌道角動量，m為拓撲荷（topological charge），可取任意整數，+表示左旋，-表示右旋，如圖1所示。相比于傳統的高斯光束（m=0）的平面相位波前和脈沖光強分布，攜帶軌道角動量的螺旋光（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平面中心存在光強暗點，接收光場的強度分布為圓環型，國外文獻稱甜甜圈型（doughnut shape）。在與高斯光束進行干涉之后，其光強分布變為螺旋條紋，其中條紋的數量表征了m的階數，左旋和右旋表征m的符號。軌道角動量具有無限個本征態，理論上可構造無限維的Hilbert向量空間，如果能夠充分利用光子OAM這個維度進行信息調制或復用，可以顯著提升單個光子攜帶的信息容量，進而大幅提升單波長和單纖的傳輸容量。

圖1 軌道角動量的螺旋光場、接收光強度分布和干涉條紋

3 研究進展

Zeilinger等人在2001年率先提出了OAM在量子通信中的可能應用，Padgett等人在2004年提出了OAM在經典通信系統中的可能應用，但并沒有提出具體實驗方案。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用維度的OAM光通信技術逐漸受到重視，并成為超高速光通信領域的研究熱點之一。現階段OAM光通信的研究報道主要集中在以下3個方面:

·OAM模式的光纖傳輸；

·OAM信號調制與復用；

·大容量OAM空間光/光纖傳輸系統。

3.1 OAM模式的光纖傳輸

Bozinovic等人在2011年首次提出了0.9 km螺旋光纖實現雙OAM態光子傳輸[1]。OAM光可以認為是高階模的線性相移組合，在標準單模光纖（SMF）中，由于存在較強的模間耦合，導致高階模在傳輸過程中產生模式簡并，退化為基模，破壞了OAM狀態的穩定性。采用特殊折射率分布設計的螺旋光纖，截面和折射率分布如圖2所示，可以對不同模式之間的傳輸常數進行顯著的區分使其保持正交性，減輕了模間耦合的影響，可以實現串擾小于20 dB的OAM光纖長距離傳輸。

圖2 螺旋光纖的端面光強分布和等效折射率曲線

Golowich等人在2012年提出了支持OAM光束傳輸的新型空氣芯環型光纖結構[2]。通過采用環型空氣芯光纖結構可以增強線偏振模向量的分離度，增大折射率對比度，從而保證OAM光的穩定傳輸。實驗采用大半徑（大于12 μm）環型結構光纖，可以支持超過9個OAM狀態的穩定傳輸。

Yan等人在2012年提出了具有方型纖芯和環型折射率分布的光纖結構[3]。高斯光束作為基模在方型芯區傳輸，通過兩種不同結構波導之間的模式耦合在光纖的環型折射率區域內產生OAM光束并進行傳輸，控制輸入信號光的相位和幅度，可以調制和復用多階OAM光束。

由于OAM模式在普通單模光纖傳輸中將退化為基模，所以研發支持OAM長距離傳輸的新型光纖是制約OAM光通信技術發展的關鍵瓶頸。目前公開報道中基于環型波導芯區結構的多種新型螺旋光纖能夠實現若干OAM模式的千米量級傳輸，但是其所能夠支持的OAM模式數量遠少于空間光傳輸，并且在光纖材料、結構設計和特性分析等方面尚處于起步階段，需要業界進一步深入研究。

3.2 OAM信號調制與復用

Fontaine等人在2012年提出了硅基光子集成電路（PIC）的OAM復用器[4]，圓環型孔陣列光柵耦合器級聯星型耦合器，采用SMF尾纖輸出，如圖3所示。OAM光垂直入射圓環光柵波導產生耦合，將方位角相位和幅度變化轉換為空間相位分布，在星型波導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光束的復用和解復用。

圖3 基于PIC的OAM復用器結構

Huang等人在2013年提出了用于OAM空間光的光分插復用器[5]。以相位模板實現特定階數的OAM光束和高斯光束間的轉換，使用不同折射率分布的圓形光柵對OAM光束和高斯光束進行不同方向的反射實現上下路。對100 Gbit/s的QPSK調制的OAM空間光進行上下路時，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空間光可調濾波器[6]。OAM空間光通過對數極化傳輸分類器解復用，在匯聚透鏡的焦平面的不同位置處映射為長條形的光斑，位于焦平面的空間光調制器（spatial light modulator，SLM）中包含可編程的反射鏡陣列，對應于各個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，從而實現OAM光束的帶通或帶阻濾波。

現有OAM調制與復用解復用技術已經能夠實現不同OAM模式之間的分插復用和動態模式轉換等基本網絡功能，但是復用解復用器件在OAM模式到空間模式分布映射的過程中還存在光學器件結構復雜、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

Wang等人在2012年提出了利用4種不同角動量（m=+4,+8,-8,+16），雙 偏 振 復 用 的 42.8×4 Gbit/s 的16QAM 編碼光信號調制與傳輸，實現 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調制的光信號，在可編程叉形衍射光柵構成的螺旋相位模板和SLM組成的發射機中進行級聯調制，將強度高斯分布的連續光光束轉換為具有不同OAM的螺旋光，不同階數的OAM光在空間分布上呈現為多組不同半徑的同心圓環，可以進行空分復用傳輸，從而實現頻譜效率和信道容量的提升。

Huang等人在2013年提出了24階OAM光束結合42波長WDM系統，每波長支持100 Gbit/s的QPSK信號，總信道容量達100.8 Tbit/s的空間光傳輸系統[8]，系統結構和復用原理如圖5所示。QPSK調制的高斯光束在SLM中產生不同階數的OAM光并實現空分復用，對波長間隔為100 GHz的WDM系統使用OAM調制，最終得到42波長的 24 組 OAM 光束（兩個偏振態的 OAM±4,±7,±10,±13,±16,±19）。空間光傳輸接收解調之后的糾錯前BER<3.8×10-3，OAM復用串擾引入的OSNR<1.8 dB。

Bozinovic等人在2013年提出了在長度為1.1 km的螺旋光纖中，實現總容量達1.6 Tbit/s的OAM模分復用和WDM傳輸[9]。其中單波長速率為 80 Gbit/s（20G baud的16QAM調制），雙偏振態2階OAM復用，10波長WDM傳輸，如圖6所示。螺旋光纖纖芯具有圓對稱的雙折射率分布，將基模和OAM模的等效折射率有效區分，能夠支持OAM模光信號的長距離傳輸，光纖模式耦合引入的串擾小于-10 dB。經過光纖傳輸之后，在BER=3.8×10-3時引入的最大光功率代價為2.5dB，主要來源于模間串擾和多徑干擾。

圖4 空間光OAM調制復用與解復用原理

圖5 OAM與WDM復用空間光傳輸系統

圖6 OAM復用光纖傳輸實驗系統

OAM作為全新的信號調制復用維度，在提升光通信系統容量方面已顯示出了巨大潛力，但現有的系統實驗多集中于空間光傳輸，其中的接收機探測器數值孔徑與OAM模式復用數量成正比，光學結構復雜且校準困難，而基于螺旋光纖的系統實驗研究中OAM模式復用數量和傳輸距離也都十分有限，這些限制都需要業界進一步深入研究解決。

4 技術挑戰與應用前景

雖然基于OAM調制的光傳輸系統實驗研究已經取得了一定的進展，但是OAM技術在光通信系統中的研究和應用仍然存在很多挑戰。首先，現網中使用的單模光纖，由于模間耦合和隨機雙折射導致的模式簡并，將使OAM模式退化為基模，無法支持OAM光束的有效傳輸。盡管有研究報道基于特殊設計的螺旋光纖、多模多芯光纖或者環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，并且能夠支持的OAM模式數量和空間光傳輸相比還很少，各種光纖在材料選擇、結構設計、制備方法等方面還處在初步探索階段，針對螺旋光纖的傳輸損傷和非線性效應等方面的特性尚待深入研究。其次，目前OAM光束的調制產生和復用解復用主要依賴于分立的空間光學器件，如相位模板、衍射光柵和空間光調制器等，其結構復雜、插損大、調節困難，雖然基于光子集成技術的OAM器件研究取得了一定進展，但在結構設計和加工工藝等多方面還需要長期的積累，才能達到高效集成化的實用程度。最后，現有的OAM光通信系統研究均為近場空間光傳輸或者短距離點到點光纖傳輸，OAM光傳輸與光傳送網核心器件，如合分波器、摻鉺光纖放大器（EDFA）和可重構光分叉復用器（ROADM）之間的適用性和可集成性還缺乏研究分析和實驗驗證。

基于OAM的光通信技術充分挖掘了光子信號的粒子特性，在軌道角動量這一全新維度實現光信號的調制復用，能夠在現有基礎上顯著提升光通信系統的傳輸容量，從而滿足未來網絡流量帶寬增長的需求，具有良好的技術前景和發展潛力[10]。目前的OAM光通信研究尚處于起步階段，實驗室研究還需要突破傳輸介質、調制解調器件、系統集成等多個關鍵技術瓶頸，產業化應用以現有的技術情況來看尚無明確的路線圖和時間表。如果螺旋光纖制備和器件光子集成等關鍵技術取得突破性進展，基于光纖和PIC調制復用的OAM光傳輸將有可能轉入實用化部署，并且對光傳送網絡未來傳輸容量的進一步提升帶來與WDM技術類似的重大變革。

5 結束語

光網絡帶寬容量需求的持續增長促使人們尋找新的傳輸容量擴容手段，OAM技術利用螺旋相位波前構造正交向量空間，理論上可以提供無窮高階的信息調制維度，近年來受到業界越來越多重視。本文在介紹OAM機理的基礎上，從傳輸介質、關鍵器件和系統集成3個方面對OAM技術在光通信中的研究及應用進展進行了總結，同時對于OAM應用挑戰及發展前景進行了分析。OAM技術為高速光傳輸提供了新的信號表征維度和調制復用方法，具有廣闊的應用前景，并且現階段的實驗室研究也取得了一些重要進展，但是該技術目前仍處于探索階段，有待于業界進一步的深入研究。

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

7 Wang J,Yang J Y,Fazal I M,et al.Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing.Nature Photonics,2012,6(7):488～496

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