光学前沿—OAM光通讯
写在前面的话
本文译自Alan Eli Willner所撰写的OAM Light for Communications一文，文章发表在Optics & Photonics News, 2021, 32(6):34–42上。翻译目的为分享知识，欢迎指正。如有侵权，请告知删除。点击文末原文链接可以阅读英文原文。
“结构光”是指对光束的振幅和相位波前的空间分布进行精细裁剪，以展示迷人的特性（见“Structured Light: Tailored for Purpose”，OPN，2020年6月期，第24页）。引起光学界特别兴趣的一类结构光是携带轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）的光束。这些光束常常被称为涡旋光束，因为它们通常具有中心强度为零的环形振幅形状。此外，相位波前在传播时以螺旋方式“扭曲”；光束携带的OAM数量（即模式数）是角向2π相位变化的次数；扭曲可以是顺时针或逆时针。有趣的是，即使是单个光子也能携带OAM。
OAM这个领域还相当年轻，携带OAM的涡旋光束这一想法首次被L. Allen及同事发表在1992年的一篇经典论文中（见“Light Served with a Twist”，OPN，2017年6月期，第28页）。随着研究人员探索光束中OAM的产生、传播和检测，该领域论文发表的数量呈指数增长。光学界也对利用这种空间裁剪光的独特特性的潜在应用感兴趣。
其中一个新兴应用使用OAM光束来增强通信系统的容量和性能。正如G. Gibson和同事在2004年的一篇论文中概述的那样，这个应用自然地来自于OAM模式的一个固有特性：因为它们可以被认为是众所周知的拉盖尔–高斯（Laguerre–Gaussian, LG）模式的一个子集，具有不同OAM值的光束本质上是相互正交的。这种正交性使通信工程师所重视的两个强大的特性成为可能。一种是能够在单个传输介质中复用大量独立携带数据的OAM光束。另一种是创建一个可能的OAM值的大字母表（alphabet)，用于编码一个光束甚至单个光子。
本文着眼于OAM光束在扩展光通信容量和能力方面的潜力。为了简单起见，我们在经典数据通道的背景下讨论复用，在量子数据通道的背景下讨论编码，尽管这两种类型有许多共同的概念。
基本的多路复用链路
人们早就知道，如果在发射机处复用独立的数据承载光束，允许它们在空间上共同传播，并且在接收机处解复用，则可以增加数据容量—所有这些光束都具有固有的小功率耦合和串扰。在这种复用链路中，数据总容量增加的倍数为正交波束的数目。
这种多路复用使得全球光通信系统传输的数据容量急剧、指数级增长，并且可以使用光波若干特性中的任何一种来实现。例如，波分复用（WDM）技术同时传输许多数据承载光束而每一个光束的颜色不同，推动了互联网的发展—结果是商业系统可以在一根光纤中容纳远超过100多个波长。另外，在两个正交偏振方向上对两个独立光束进行偏振复用（PDM）可以使自由空间和光纤系统的容量增加一倍。
当前令人兴奋的复用前景方案是空分复用（SDM），其中多个数据流占据一个可微的“空间”。SDM的一个子集是模分复用（MDM），其中每个光束占据一个不同的正交空间模式上，允许多个光束有效复用，在空间上共同传播并被解复用。OAM复用属于MDM范畴，可以在自由空间或光纤中实现。
一个基本的OAM复用链路从生成不同OAM值的数据承载光束开始。然后，光束被复用并通过单个孔径，在空间上通过一个公共空间介质共同传播，并且在单个接收器孔径处被接收。最后，对光束进行解复用，并恢复编码在光束上的数据流。重要的是，这种OAM复用与诸如WDM和PDM等其他技术兼容，并且可以与之相结合，以进一步增加系统容量。
自由空间和光纤中的OAM复用
基于OAM的自由空间光通信系统可以在多种场景下运行，每种场景都有自己的特点和实现面临的挑战。在地球大气中，通信链路可能涉及固定的地面终端以及无人机（UAV）和飞机等飞行平台，湍流成为维持光束空间结构和模式纯度的关键问题。在水下通信中，蓝绿光的吸收率相对较低，因此在大约100米的距离范围内进行大容量通信是可能的，而热水梯度和光散射是关键障碍。在太空中，卫星通信可能不会受到光与物质相互作用的影响，但远距离的模式增强的光束发散可能需要更大的孔径和更精确的指向系统。
Phil Saunders配图
基于OAM的通信也可以在支持多个空间模式的光纤中实现。光纤可以是各种类型的。在传统的中心芯光纤中，由于模式相位匹配和非理想光纤条件的影响，不同模式的光束可能会受到相当大的功率耦合。2013年，Bozinovic及其同事报道了一种特殊设计的带有圆环形环状波导的光纤，这种光纤的传播常数与模式相关，降低了导致性能恶化的模式间耦合的效率。
扩展的可能性是OAM模式可以有两个空间指数：方位角 (l)，即360°圆内2π 相位变化的的数目；径向指数 (p)，与同心强度环的数目有关。这两个指标均可以用来创建一个更大的二维正交数据承载光束集。
J. Wang和同事于2012年在自由空间的Tbit/s通信中在单一波长上演示了OAM复用。其他演示工作包括增加WDM和PDM时的Pbit/s通信、基于光纤的Tbit/s传输、水下通信和与无人机通信，以及使用l和p两个值的链路。
当然，MDM可以用OAM以外的正交模式基的集合来实现。但是有两个实际优势可以促使OAM的使用。一个优势是OAM光束是圆形的—这很方便，因为许多光学元件也是圆形的。另一个优势是，要完全确定光束的l值（从而确定其正确的基于l值的数据信道标识），只需要恢复一个简单的完整中心圆，而不必恢复波束的完整径向尺寸范围。
技术障碍
在波长相关的通信系统中，当来自一个数据波长通道的功率耦合到相邻波长通道时，恢复所传输数据的最大挑战之一是串扰。类似地，对于模式相关的系统，由于从一个模式到另一个模式的功率耦合而产生的串扰可以显著地降低通信系统的性能。对于OAM系统，这种模式耦合可能涉及到与其他l和其他p模式的耦合。
在自由空间系统中，常见的模式耦合源包括大气湍流、光束偏移和光束发散。湍流可以在毫秒时间尺度上引起动态、随机的折射率波动，使得通过的OAM光束的空间相位分布发生扭曲，并导致功率耦合到其他非期望的模式。
在OAM光束和OAM光束相关的接收器之间的光束偏移也能将功率耦合到其他模式。例如，如果接收器和光束是同轴的，一个圆形接收器可以恢复一个波束的2π角向相移，而如果有限孔径的接收器偏离快速变化的中心区域，则可能无法收集任何实质性的相位变化。接收器可能因此错误地将入射光束识别为在其它模式下有功率。对于自由空间的OAM复用系统，精确准直的要求比简单的单基模高斯光束系统要严格得多。
最后，高阶模的光束在自由空间传输时发散速度更快。因此，不能捕获整个OAM光束的有限尺寸的接收器孔径会导致数据信号功率损失，需要更大的孔径尺寸，限制了可实现的链路距离，并且需要新的解决方案（例如，相位敏感的多元件接收器孔径阵列）。此外，在径向截断光束的有限孔径会导致模式耦合到其他p模。
虽然光纤与自由空间有很大的不同，但它自己也有类似的和重要的与模式相关的挑战。例如，即使多个光束被精确地发射到光纤的不同正交模式中，光纤也常常会由于温度梯度、不均匀性和弯曲而引起模式功率耦合。此外，光纤中的模式被划分为模式组，模式组内耦合往往强于模式间耦合。如前所述，新型光纤可以通过产生随模式变化的传播常数来限制模式耦合。
克服挑战
好消息是，未来的系统有望能够有效地缓解这些挑战。
自适应光学。与彻底改变天文学和其他领域的普通激光系统一样，OAM光束失真可在接收器处使用辅助“信标”探测光束进行测量，并且可对接收到的OAM光束应用可调谐逆相位函数以逆转湍流的影响。空间光调制器、可变形微型镜和多平面光转换器可用于这种光学方法，尽管相位函数的调谐速度最终应在kHz左右以适应动态湍流效应。
多输入多输出（MIMO）。当多个独立的发射天线与多个接收天线进行通信时，普通无线电系统有效地使用MIMO电子信道均衡算法来“减轻”信道串扰。实际上，多个数据承载OAM波束可被视为源自多个发射天线。因此，MIMO数字信号处理 (DSP)可以减轻OAM复用系统中的串扰，并且受到算法可以检测和比较的模式数量的限制。非MIMO形式的DSP也可以用来缓解一些湍流因素；例如，其中一种类型的DSP用来实现加那利群岛(Canary Islands)之间143公里长链路上OAM编码数字表示的文本“Hello World！”的传输。
光束整形。通过相干组合多个波束来形成新的波束同样是无线电中一种众所周知的方法。类似地，可以通过自由空间光束成型来实现多个OAM模值叠加组成的单个光束，使得每个组成模式在振幅和相位上可以具有复系数。在发射机处特别设计的OAM模式组合可以控制光束以减轻失调；缩小光束以更好地适应有限尺寸的接收器孔径，并延长可实现的距离；以及通过提供所监测的湍流导致的模式耦合矩阵的相位共轭来对湍流进行预补偿。
编码量子系统
量子通信系统通常是“光子匮乏”的，并且受到光子效率—即每单个光子可以传输的数据比特数—的限制。普通的量子通信系统只在两个正交偏振态上编码一个量子位。这实际上意味着“字母表”为2，并将数据容量限制为每光子一位。
OAM光更强大的编码能力可以让它在这些系统中大放异彩。由于OAM比偏振具有更多的正交值，OAM字母表可以在量子系统中提供更高的光子效率和性能。每个光子的比特数变为log2N，其中N是可用OAM模式状态的数目；这与N位编码相对于二进制数据编码的优势相似。
在这样的编码系统中，一个可能的发射器将接收每单个光子并系统地将其置于N个可能的OAM状态之一，因此要求以符号速率执行编码。一个可能的接收器将捕获每个光子，然后将其路由到N个不同的单光子探测器中的一个。有趣的是，某些缓解经典通道缺陷的方法也可能有助于减轻量子通道中的问题。例如，自适应光学可以通过在接收器处提供逆模态耦合函数来帮助降低量子信道的湍流。
基于OAM的量子链路的一些值得注意的最新报道包括使用七种不同的OAM模式、补偿湍流效应的自适应光学以及多用户安全网络环境。
高级主题
与许多年轻和不断扩展的领域一样，OAM光通信正在涉及并影响其他领域。
其他频率范围。OAM是电磁波和机械波的一个普遍特征，而令人兴奋的工作集中在将OAM用于可见光和近红外之外的频率。在2012年发表的工作中，F. Tamburini和他的同事们用无线电频率在威尼斯水域传输数据。从那时起，已经报道了声学、毫米波、太赫兹和中红外频率的结果。
对于这个更宽的频率范围，存在两个关键问题。首先，频率较高的波束往往与物质发生更多的相互作用，从而引起导致性能退化的模态耦合和串扰。第二，较低频率的波束有更多的发散，这限制了链路距离，需要更大的接收器孔径。有趣的是，多数物理是相似的，但在实现上有重要的和具有挑战性的差异。
新颖的光束。如前所述，基于LG的OAM光束会经历各种不利影响。有没有其他新型的结构光束，它们可以具有带或不带OAM的正交集，但却克服了一些重大挑战，如显示出较低的光束发散度、与大气的相互作用较低以及对障碍物有容忍度？这些光束的例子可能包括贝塞尔光束，它可以在给定的距离内限制光束发散，并且在遇到障碍物时可以具有“自愈”的相位波前；以及Airy光束，这些光束可以经过设计，能够在物体周围“弯折”，并有可能避免障碍物。这有望成为创新的主要领域。
传感和成像。也存在实际上增强光与物质相互作用是所期望的其他重要应用。例如，在传感和成像系统中，遇到物质的纯OAM光束可以在产生的模态耦合矩阵中获得物体的特征。虽然传感/成像和通信有很大的不同，但许多相同的技术可以应用。
商业化之路
过去十年基于OAM的通信系统与20世纪80年代的WDM系统有一些相似之处。当时，许多被演示的系统使用离散的、笨重的和昂贵的设备，而这些设备并不一定是为WDM所设计的。为了创建一个紧凑、可靠、快速可调、高性能和成本效益高的组件生态系统，而这些组件可以部署在切实可行的商业系统中，曾做出协调一致的努力。
同样，对于基于OAM的通信来说，在商业系统出现之前，可能需要建立一个技术生态系统，目前已经做出很大努力去创建这样一个技术基础设施。鉴于目前许多基于OAM的通信演示使用体积庞大、速度慢且价格昂贵的不同类型的空间光调制器，因此有机会利用创新技术去影响商业部署。
此外，由于基于OAM的通信应用包括无人机、飞机、卫星和水下平台，因此尺寸、重量和功率问题会很重要，这些问题有可能通过光子集成电路(PICs)的重要进展来解决。用于集成芯片上产生和检测特定模式光束的各种方法包括具有嵌入光栅的微环谐振器，可以产生垂直于表面的螺旋扭曲光束；利用微分角向相位激励的单元光学天线圆形阵列；以及可以在大波长范围产生OAM光束的超表面。
还有一个值得考虑的有趣问题是，在第一批商业部署的OAM系统中可能会使用什么频率。一些领先的通信公司如NEC和NTT已经宣布它们正在积极寻求使用OAM来提高毫米波链路的数据容量和频谱效率。目前正在讨论将OAM纳入下一代6G标准文档。在光学领域，一家初创公司Lyteloop宣布计划使用OAM扩展卫星间链路的容量。
目前，OAM是一个充满挑战和希望的年轻领域。目前尚不清楚通信系统中会有多大范围部署OAM。尽管如此，研发界正在取得对结构光的重要应用应该是很有价值的出色进展。
L. Allen et al. Phys. Rev. A 45, 8185 (1992).
G. Gibson et al. Opt. Express 12, 5448 (2004).
F. Tamburini et al. New J. Phys. 14, 033001 (2012).
J. Wang et al. Nat. Photonics 6, 488 (2012).
N. Bozinovic et al. Science 340, 1545 (2013).
M. Mirhosseini et al. New J. Phys 17, 033033 (2015).
请访问网址参阅更多文献和材料：www.osa-opn.org/link/oam-comms
