涡旋 涡旋光：引领未来通信之光

如何在有限的频谱、空、能耗、成本等资源上满足通信容量几个数量级增长的需求？以中山大学余思源教授为首席科学家的研究团队，针对光子轨道角动量未被利用的电磁波参数维度，开发新的电磁波通信容量资源，并研究充分利用的方法。

在高速信息社会的背景下，信息系统容量的不断扩大是社会发展的根本需求。在国家973计划“基于光子轨道角动量的新型通信系统基础研究”的资助下，中山大学、清华大学、烽火通信技术有限公司、华中科技大学、浙江大学、北京理工大学的研究人员针对光子轨道角动量(OAM)，一个未使用的电磁波参数维(也称“涡旋光”)，开发了新的电磁波通信容量资源，并研究了其充分利用的方法， 旨在大大提高通信系统的频谱效率和容量，满足未来10-30年通信容量增加2-3个数量级的需求，解决通信技术发展面临的根本挑战。

以探索利用电磁波的轨道角动量实现超大容量通信的原理和方法为主题，研究范围涵盖了OAM通信系统的三个主要环节:发射、发射和接收，同时在两个最重要的通信波段——光波和射频微波进行研究。

在传输端，研究了集成无源和有源OAM信号传输和复用的关键器件，在传输链路中，研究了OAM信号在光纤和自由空之间的传输。

在接收端，研究了OAM信号检测、接收和解复用的关键设备和技术。

探索发射的“源头”

在无源集成OAM通信器件的研究中，研究团队在硅基螺旋OAM发射机和氮化硅集成OAM发射机方面取得突破，提出了基于螺旋变换的OAM解复用方案。

由于衍射效应，研究小组发明的光栅微环发射器产生的涡旋光束能量以较大的发散角分布，不利于高效的光纤耦合。通过打破微环的闭环结构，提出了一种螺旋阿基米德曲线波导光栅，可以有效改善涡旋光束的方向性，提高光纤的耦合效率。

基于微环腔OAM发射器，首次论证了微环波导倏逝区的异常横向自旋角动量与自由空之间射入涡旋光束的轨道角动量之间的相互作用，论证了自旋单向锁定耦合效应。发现了一种新的光和物质的动量传递机制，拓展了自旋轨道相互作用的产生途径，为整个角动量域的偏振/OAM多维光学操控和量子信息处理系统提供了原型

研究小组还提出了一种新的OAM模式解复用的光学坐标变换方案(螺旋变换)，从原理上解决了原对数极坐标变换方案固有的相邻模式串扰问题。在这种新的光学变换框架下，原始的对数极坐标变换可以视为特例，说明这种螺旋变换在理论上更具普适性。

在有源集成声光调制器的研究中，实现了第一台通信波段电注入声光调制器激光器。设计了一种顶栅结构的微环腔声光调制器发射体结构，使得分布反馈(DFB)半导体激光器和声光调制器发射体可以单片集成在磷化铟衬底上，输出高模纯度的声光调制器光束。这种新型OAM激光器在未来大容量光纤通信和量子通信中具有良好的应用前景。

突破传播的“极限”

在新型光纤的开发方面，研究团队首创了高性能渐变折射率单环芯结构的OAM光纤，实现了高阶模组(l = 5个5阶)和低模块间串扰(23 dB/km)的渐变折射率环芯光纤，支持0.34 dB/km的低损耗传输的OAM模式，性能处于世界领先地位。还实现了支持96种OAM模式传输的多核结构OAM光纤。

系统研究了多模光纤中光学涡旋模式的特性。首次实验报道了2.6 km传统多模光纤光涡旋复用通信，并将轨道角动量光涡旋进一步扩展为结构光。首次在千米级直接使用光纤矢量本征模复用通信的实验报告。基于上述自主研发的高性能环芯光纤，针对低成本的光互连应用，实现了3个1 km距离的涡旋光模组和2个18 km距离的涡旋光模组复用的单波长强度调制-直接探测MIMO传输，复用模数、容量距离积和频谱效率均为目前轨道角动量光纤通信的世界纪录。研究人员还初步演示了50公里长的光学涡旋多路传输。

OAM光束在自由空之间行进时会受到大气湍流的影响，导致不同轨道角动量模式之间的相位畸变和串扰。研究团队开发了OAM光束的自适应光学畸变补偿技术，并分别利用探针和非探针光束技术开发了各种补偿算法，实现了OAM光束的自适应光学畸变补偿。

优化接收的“眼睛”

研究团队采用了独特的射频涡旋波束生成方法，实现了单天线和多轨道角动量模式的发射、接收和复用。演示了10 GHz微波和60 GHz毫米波波段涡旋波的复用传输、解复用接收和通信实验，实现了基于32 QAM传输的4x4 OAM移动设备管理(MDM)通信系统，大大降低了接收的计算复杂度。此外，从原理和实验两方面验证了OAM多输入多输出天线阵相对于传统多输入多输出天线阵的优势，为充分利用射频轨道角动量维度资源提供了原则和手段。

在充分了解OAM通信规则、验证科学原理、论证其应用潜力的基础上，研究团队目前正在进行OAM器件和高性能环芯光纤的进一步优化，继续面对长距离通信和短距离互联两大应用场景，努力刷新OAM光纤和射频通信的容量密度、容量距离积和频谱效率记录，着手解决工程问题，为涡旋电磁束轨道角动量通信技术的应用奠定基础。

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