OAM光通信技术研究进展

郭忠义，龚超凡，刘洪郡，李晶晶，王子坤，杨 阳，宫玉彬

OAM光通信技术研究进展

郭忠义1*，龚超凡1，刘洪郡1，李晶晶1，王子坤1，杨 阳2，宫玉彬2

1合肥工业大学计算机与信息学院，安徽 合肥 230009；2电子科技大学电子科学与工程学院微波电真空器件国家重点实验室，四川 成都 610054

涡旋光束携带的轨道角动量(OAM)为光波的空间域提供了新的维度资源，吸引了越来越多研究人员的关注。由于具有不同OAM模式值的涡旋光束相互正交，因此将OAM模式引入传统光通信领域，衍生出两种新的应用机制——OAM键控(OAM-SK)与OAM复用(OAM-DM)，这为未来实现高速、大容量及高频谱效率的光通信技术提供了潜在的解决方案。本文将从OAM光束的类别和产生方法等基本概念理论出发，对这两种通信应用机制相关的典型研究案例做简要概述，并重点论述三种关键技术，包括OAM光束复用技术、OAM光束解调技术以及OAM光通信的大气湍流效应抑制技术。最后，对OAM光通信技术的未来发展趋势及其前景进行了分析与展望。

轨道角动量；自由空间光通信；OAM复用；大气湍流

1 引 言

近年来，随着现代信息技术产业的迅速发展，诸如物联网、电子商务、视频电话等大流量消耗型业务的不断兴起，人们对信息的需求量越来越大，网络带宽已逐渐达到瓶颈，因而扩大通信系统的通信容量已成为通信领域一个亟待解决的问题，对更多通信资源维度的发掘成为构建高速大容量的通信技术的必然趋势。与电子的有限维度不同，光子具有多个基本维度，如图1所示，包括波长/频率、时间、复振幅(幅度，相位)、偏振及空间域[1-2]。所有与光波相关的应用几乎都是围绕光子的维度资源展开的，因此，通过对光子在这些物理维度上的操控，可以实现多种与光相关的应用[2-3]。在传统光通信领域，信息载波调制主要是基于平面波，围绕光波的波长/频率、时间、偏振态等维度资源展开。相应地，各类复用技术，如波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)、时分复用(time division multiplexing，TDM)、偏振复用(polarization division multiplexing，PDM)等，以及高级信号调制技术，如正交幅度调制(quadrature amplitude modulation，QAM)、脉冲位置调制(pulse position modulation，PPM)、多进制相移键控等推动着光通信技术不断发展变革[3-7]。然而，近年来对于这些已有维度资源的开发几乎达到了极限，容量危机仍然是光通信面临的极大挑战[8]。

当前，光波空间域维度资源的开发为光通信的可持续扩容提供了新的思路，如以空间排布为基础发展起来的多芯光纤已经广泛应用于光纤通信领域，成为缓解容量需求的有效选择之一[8-9]。此外，具有不同空间结构特征的结构光场提供了更具多样性的光场存在形式，也可在无线光通信系统中用于提升通信容量[9]，典型的结构光场包括具有空间变化相位分布的轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)光场[9-15]、具有空间变化偏振分布的矢量光场[9-15]、具有空间变化幅度的厄米高斯光场[9-15]等。这些结构光场凭借着其独特的空间分布特性，已被广泛应用到各个科学领域[9-15]，例如：光学操控、粒子捕获、成像、量子科学等。近年来，结构光场在光通信领域也有了新的应用，其中，具有空间相位变化的OAM光场更是成为了目前光通信领域的研究热点。

图1 光子物理维度资源示意图

理论上，由于OAM模式值取值无限且携带不同整数阶OAM的光束之间相互正交，这启发了人们可将OAM光束的空间维度资源作为信息的载体，应用于自由空间光(free space optical，FSO)通信领域来摆脱通信资源日益紧缩的困境[19]。随着研究人员的不断探索与发掘，当前，对于OAM光束在通信与信号处理方面的应用主要包括两种机制[19]：其一是根据OAM模式值的取值多样性，实现数字信号到不同OAM光束之间的映射，每个OAM模式值代表一个数据比特。类比于振幅键控(amplitude shift keying，ASK)、频移键控(frequency shift keying，FSK)等调制技术，人们称之为OAM键控(OAM-SK)[20-29]。其二是将OAM光束作为调制信号的载波，利用不同OAM光束之间的正交性来实现信道的多路复用，从而成倍地提升成信道容量。类比于WDM、TDM、PDM等复用通信技术，人们称之为OAM复用(OAM-DM)[30-50]。

尽管基于OAM的FSO通信在提升信道利用率，增大信息传输容量等方面有较大优势，而且在星地通信、深空通信、拓展无线通信覆盖范围的超宽带通信等领域有潜在应用价值[19]。但其在实际的应用设计及商业化进程中还面临着技术和传输环境这两个方面的挑战。对于技术方面的发展，为实现高质量通信性能的OAM光通信系统，如何将OAM光束的生成器做得集成度更高，如何设计更加高效的OAM复用及解调模块等仍是亟待解决的难题。此外，环境因素如大气湍流、雾霾和障碍物等会对FSO光通信系统带来恶劣的信道传输环境，其对OAM光束相位的扰动，使得OAM信道间串扰急剧增加，大大降低了通信系统的性能，因此对湍流效应抑制方案的探究也是OAM光通信技术的重中之重[19]。

本文全面综述了基于OAM的FSO通信基本理论及关键技术研究进展。在简要介绍OAM光束的基本概念、产生方案及OAM-FSO通信的应用机制后，对近些年OAM光束复用技术，OAM光束解调技术，以及OAM通信的湍流效应抑制技术的研究成果与进展进行了详细阐述。最后，对OAM光通信技术的未来发展趋势及其前景进行展望。

2 OAM光束的种类与产生方案

2.1 OAM光束的种类

常见的具有螺旋型相位波前的OAM光束有多种类型，不同的OAM光束的横截面光强分布不尽相同，但他们的共同特征是其中心存在的相位奇点会导致光强呈现出具有中心暗核的环形分布。本节介绍几种常用于OAM-FSO通信系统的OAM光束，主要包括拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束、完美涡旋光束以及矢量涡旋光束等。

2.1.1拉盖尔高斯光束

拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光束是目前OAM-FSO通信系统中应用最为广泛的OAM光束，它是在傍轴近似的条件下，亥姆霍兹方程在柱坐标系中的特解，其光场分布满足[18]：

2.1.2 贝塞尔高斯光束

另一种常用于OAM-FSO通信系统的光束是贝塞尔(Bessel)光束。与LG光束类似，贝塞尔光束也具有螺旋相位结构。理想情况下，贝塞尔光束光强分布在垂直于传播方向的截面上表现为贝塞尔函数形式。值得一提的是，具有无穷大横截面积的理想贝塞尔光束需要无穷大的能量才能实现，因此在实际的工程应用中，通常对理想贝塞尔光束进行高斯截断来获得近似的贝塞尔光束，即贝塞尔高斯(Bessel-Gaussian, BG)光束，其光场表达式为[51]

2.1.3 完美涡旋光束

无论是LG光束还是BG光束，其光束直径都会随着OAM模式值的增大而增大，这在长距离传输后不利于接收端的探测耦合。2013年，Ostrovsky等[56]利用加载在空间光调制器(spatial light modulator，SLM)上的独特相位模式，在远场生成了一种光场亮环半径不随OAM模式值增大而改变的新型光束，并称之为完美涡旋光束(perfect optical vortex，POV)，其复振幅表达式为[56-57]

其中：是用来限制涡旋光束直径的狄拉克函数。r0为POV半径。由于狄拉克函数只存在于理想状态下，因此在实验环境下生成符合式(3)的POV是相当困难的。而对理想状态下的贝塞尔光束进行傅里叶变换得到的复振幅分布仅与式(3)相差一个比例系数[57-58]，因此，在实际中人们常对BG光束进行傅里叶变换即可得到近似于式(3)的光场分布，其复振幅表达式为[57]

POV的优势在于携带任意OAM模式值的光束半径几乎一致，如图2(c)所示，这使得在实现较长距离的OAM通信实验时，采用POV能减小能量的发散，从而可以大大降低接收端的接收难度[59-60]。

2.1.4 矢量涡旋光束

目前，针对上述几种OAM光束物理特性的研究已经较为成熟，而对于工程应用领域，尤其是OAM-FSO通信领域，这些OAM光束凭借着其各自不同的特性也表现出不同的应用前景。通常，相比于BG光束、POV光束和VV光束，LG光束在实验中生成所需的光学器件较为简单且成本相对较低(在2.2节中详细介绍)，因此其是目前OAM-FSO通信系统中应用最为广泛和成熟的OAM光束。而对于BG光束，凭借着遇障碍物后的自恢复特性，其更适合应用于复杂信道环境下的OAM-FSO通信系统。对于POV光束，由于POV光环半径与OAM模式取值无关的这一重要特性，其很好地解决了接收孔径有限时，OAM模式值较大的LG光束和BG光束的光环半径过大而带来的不易于接收的问题。同时，需要指出的是，由于POV只有在傅里叶透镜的焦点处产生，在焦点位置前后仍然是BG光束，所以过去在实验上往往通过在透镜焦点处放置一块显微物镜并在其后级联一个透镜来对光束进行准直的方法维持POV的长距离传输[59-60]。因此，在接收机孔径有限且要实现较长距离的OAM-FSO通信时，POV光束将会是较好的选择之一。此外，对于VV光束，目前的研究多在其本身的物理特性上，对其具体的应用场合(如OAM-FSO通信)的研究仍然处于起步阶段，其具体的应用场景还有待于研究者们将来去进一步在理论和实验上去细致探究。

2.2 OAM光束的产生方案

高质量OAM光束的产生是OAM光通信系统成功运行的关键。目前，OAM光束的产生方案主要分为有源和无源两类。其中，有源方案主要利用激光腔直接输出OAM光束[69-73]。基于该类方案直接产生的OAM光束具有良好的光束质量，因而获得了广泛的研究。当泵浦光输入到激光腔时会产生包含基模在内的多种共振模式，激光腔可对光束的横向模态进行调控，进而可控制出射光束的空间分布、偏振和传播特性。因此若要产生OAM光束，则需要对激光腔进行特殊设计，迫使激光在特定应用所需的选定单模上振荡，从而获得OAM光束。常用的方法有利用激光增益介质的热透镜效应进行横向模式选择[69]以及插入特殊设计的元器件，如带有缺陷点的透镜[71-72]等。近年来，直接在激光腔中产生LG模式，而不需要插入额外元器件的方法也被提出。例如，可以利用双端极化泵浦技术与离轴泵浦技术相结合，在Z型腔内产生涡旋光束[73]。然而，这些方法通常需要较高的泵浦光功率或特殊设计的元件，效率相对较低，其产生功率受到一定的限制，也不易产生高阶OAM模式。相反地，无源方案主要指在腔外通过转换器件将普通的高斯光束转换成OAM光束，该方案凭借着其实现简单、灵活、可控性强、实现方式多样等特点，目前已成为OAM光束产生的主流方案。其常用的OAM转换器件包括螺旋相位板(SPP)[74-79]、衍射光学元件[80-84]、模式转换器[18, 85]、q板[86-89]、J板[90]、超材料或超表面[91-98]、基于光纤的器件[99-105]、光子集成器件[106-111]等。

螺旋相位板(SPP)是一种最为直接、高效的转换器件[74-79]，是一种表面呈螺旋阶梯状分布的透明板，如图3(a1)所示，其厚度沿角向逐渐增大。由于不同方位角上厚度的不同，引起透射光光程差的不同，进而造成不同方位角上相位差的变化，这使得具有平面等相位的光束入射共轴放置的SPP后可产生具有螺旋相位的OAM光束。SPP具有很高的转换效率，可用于大功率激光束的转换。但是，每种SPP只能产生一种模式的OAM光束，并且在加工上具有非常严格的精度要求。

更为灵活、快捷的方案是通过可重构的衍射光学元件产生OAM光束，例如，空间光调制器(SLM)[80-82]、数字微镜(digital micromirror display，DMD)[83]等。SLM是一种像素化的液晶器件，其液晶分子可以通过编程来动态改变入射光束的参数，包括横向平面上的光束相位，从而产生OAM光束[80-82]。一般来说，为了产生OAM光束，加载到SLM上的为相位全息图[84]，其可以为螺旋相位形式(如图3(a2)所示)、叉形全息图形式(如图3(a3))或二值化的叉形光栅形式。相对比其他的调制方法，SLM在提高效率、降低能耗、提高转换速度和质量方面均具有明显的优势。但是SLM相对昂贵，并有一个能量阈值，使其无法使用高功率激光束。近年来，在液晶SLM的基础上，又引入了一种名为DMD的衍射光学元件，该元件成本低、刷新速度快，但衍射效率相对较低[83]。

图3 (a) 利用螺旋相位板(SPP) (a1)，螺旋相位全息图(a2)，叉形光栅(a3)产生OAM光束示意；(b) 利用模式转换器将HG光束转化为LG光束，(b1) 2阶HG模的分解及LG模式的合成[19]，(b2)p/2模式转换器及p模式转换器[19]；(c) q板对圆偏振光的作用[89]；(d) L形天线组成的超表面产生OAM光束[92]；(e) 微环谐振器产生OAM光束[106]

然而，利用光学元器件产生OAM光束的传统方案面临着所需器件体积较大且不易集成的挑战。近年来，超材料和超表面的发展为OAM光束的生成提供了新的解决方案[91-98]。超表面作为平面超薄光学元件，通常由亚波长结构单元组成，如L形天线[92](如图3(d))、V形天线[93]等。基于光的反射和衍射原理，通过控制亚波长结构单元或高折射率的介质材料的结构参数(如形状、尺寸、方向等)来控制反射、衍射光束的相位、振幅或偏振态。使用超材料或超表面的最大优点是其体积小，便于集成，这使得该方案成为未来产生OAM光束的可替代方案之一。

此外，基于光纤集成链路的方案也可实现OAM光束的高效产生。利用光纤产生OAM光束主要包括三种方法[99-105]：光纤耦合转换法、光子晶体光纤转换法和光波导器件转换法。OAM光束还可利用光子集成器件[106-111]来产生，如微环谐振器[106]等，其构造如图3(e)所示，微环谐振器内谐振的回音壁模式具有螺旋型的相位分布，通过在其侧壁上引入角向光栅，通过调控角向光栅的周期数和回音壁模式的阶数可控制耦合到自由空间光束的OAM模式数。相较于分立的光学元器件，基于光子集成器件的OAM产生方案由于其可靠、紧凑、可扩展性的优势而获得了广泛应用。常用的不同OAM光束产生方案在多个方面的性能比较如表1所示。

3 OAM通信应用机制

在传统FSO通信领域，信息载波调制主要是基于平面光波的波长/频率、时间、偏振态等维度资源展开，而OAM模式可充分利用空间维度资源，且凭借着携带不同OAM模式值的光束之间相互正交的特性，将其应用于自由空间(FSO)光通信领域可摆脱传统光通信领域信道容量受限的困境[19]。当前，对于OAM光束在通信中的应用机制主要包括以每个数据比特映射为不同OAM模式值的OAM键控(OAM-SK)通信[20-29]，以及将OAM光束作为调制信号载波的OAM复用通信(OAM-DM)[30-50]。本节将分别对这两种OAM通信应用机制相关的典型研究案例做简要概述。

表1 不同OAM光束产生方案的性能比较

3.1 OAM-SK通信

早在2004年，Gibson等[20]就成功利用OAM-SK机制构建了15 m的FSO通信实验链路，并实现了数据的传输和接收。如图4(a1)所示，实验中准直的He-Ne激光入射到SLM上，通过不断刷新加载在SLM上的全息图，入射光束被转换为8个不同的OAM模式值的OAM光束，并经自由空间传输，在接收端通过SLM上加载的二维叉形光栅全息图进行OAM解调。如图4(a2)所示，光束将被分成9个与OAM模式值对应的衍射级次，其中心光束用于对准。通过每个衍射级是否出现中心亮斑，来确定入射光束中是否有相应的OAM模式成分。

2008年，Liu等[21]提出了一种使用静态二值振幅光栅和道威棱镜实现两螺旋光束叠加的方法，该方法仅通过旋转道威棱镜即可实现两OAM光束的10种不同的同轴叠加方式，进而可构建出OAM-SK编码系统，简化了编码装置。

为了验证长距离OAM-SK通信的可行性，2014年，Krenn等[22]在维也纳市上空进行了3 km传输距离的基于OAM模式叠加态的编译码通信实验。如图4(b)所示，激光器发射出的光束经SLM调制后产生OAM模式，后经望远镜系统对光束扩大，并利用一个高质量的大焦距镜头发射到接收端。在接收端，CCD相机用于捕获投射在接收屏幕上的强度模式分布，并收集到的光强图像集送入计算机，再利用机器学习技术来完成解调任务。通过测量串扰矩阵，该系统的解调错误率为1.7%。为进一步检验通信质量，该课题组尝试将两张灰度图像的每个像素值映射到16个OAM模式上，利用键控编码技术进行图像信息传输，两张图片均取得了良好恢复效果。2016年，该课题组进一步进行了143 km长传输距离的OAM-SK编译码实验[23]。如图4(c)所示，由于超远距离传输的OAM光束会出现发散的问题，该实验中接收的光束直接打在“光学地面站”的墙壁上用以观察，在用像机记录光斑图像后，再利用机器学习技术对光斑图像进行分类识别，测得的总误码率为8.33%，证实了在超过100 km的自由空间中进行OAM-SK通信的可行性。

在OAM-SK光通信系统中，对复用和解调技术的优化也是研究的重中之重。2017年，合肥工业大学郭忠义研究团队[27]对设计传统相位全息图所需的迭代算法进行优化，通过改变迭代步长来扩大权重系数的选择范围，同时在不同步长下都使用相同迭代算法来进行并行计算，从而设计出最优的计算全息图并用于OAM光束的产生与解调。该方案通过传输一张灰度图像，验证了其设计的计算全息图的高效转换效率，其通信系统框图如图4(g)所示。

值得注意的是，对于一般的OAM-SK通信系统而言，当传统OAM光束(如LG光束)在自由空间传输时易受到障碍物的影响，部分或完全遮挡光路会导致链路连接中断，从而降低通信质量。因此人们也将视线转向具有无衍射特性的贝塞尔光束在光通信中的应用。2015年，Du等[28]利用贝塞尔光束成功实现了12 m多进制OAM-SK光通信，如图4(h)所示，在发送端多进制数字序列信号映射到不同贝塞尔螺旋相位模式，并加载到SLM上从而将入射高斯光束转换成不同的随时间变化的BG光束序列。在完成键控编码过程后，接收端通过反相位板进行解调译码。该实验探究了不同OAM模式值的贝塞尔光束的16进制和32进制编译码性能。其实验结果表明，即使在传输路径上存在一定的障碍物，接收端仍能实现零误码率的高质量通信性能，这使得基于贝塞尔光束的OAM通信成为光通信领域的另一个研究热门。

此外，基于POV的OAM-SK系统也是人们重点关注的对象。2019年，Li等[29]提出了一种基于傅里叶变换定理的二维POV阵列的生成方法，以及一种二维POV阵列的十六进制编解码方案，实现了高容量的数据传输。如图4(i)所示，其编码的数据序列包含各POV的位置和OAM模式值信息，可以通过向特殊设计的纯相位光栅中加入相移因子来调制。基于位置和OAM模式信息，二维POV阵列可以实现SDM和OAM-SK的功能，该方案为大容量光通信系统的设计提供了新思路。

3.2 OAM-DM通信

与传统FSO光通信相比，OAM-DM通信机制相当于将承载调制信号的高斯载波替换为OAM光束，每束载波的OAM模式在时序上连续不变，而利用正交性，若干OAM载波光束的复用可极大提升通信容量，且具有高光谱效率低误码率的优势，因此，OAM-DM通信一度成为OAM光通信的研究热点。而为了实现更高速率的通信，OAM-DM通常与偏振复用、波分复用、空间复用等技术相结合，这使得OAM-DM系统的OAM复用信道数、频谱效率和传输容量不断被突破[30-50]。

2015年，Lei等人[40]利用达曼涡旋光栅(DOVG)进行OAM光束的复用与解调，突破了并行检测多个共线OAM光束所需的实验装置复杂的限制。其实验装置如图5(d)所示，搭载信号的激光束沿达曼涡旋光栅的不同衍射级入射，在零级上输出具有10种不同OAM模式值的同轴复用OAM光束，接收端通过DOVG进行解调并在10个衍射级方向检测光信号。该方案通过采用10个OAM模式值、80个波长和两个偏振复用，实现了1600个独立调制的正交相移键控(QPSK)/16QAM数据传输，通信容量最大可达160 Tbit/s。

2016年，Zhu等[41]实验上搭建了一个采用强度调制直接检测(IM-DD)技术的单波长Tbit自由空间通信系统。该工作中采用12个OAM模式与两偏振态共24路信道，每路信道搭载30 Gbaud奈奎斯特PAM-4信号，实现了单波长1.44 Tbit/s的总传输容量，调制效率达48 bits/symbol。

由此可见，PDM、WDM、SDM等传统光通信中常用的复用技术可以与OAM-DM相结合使得通信容量成倍增长。需要指出的是，通常情况下PDM仅需若干光学元器件的组合(如偏振片、偏振分束器等)即可在实验中上相对容易地实现，因此OAM-DM与PDM的结合成为了常用的复用方案[32,34,37,39,41]。但是，PDM的可用维度较低(通常只可选用相互垂直的两个偏振维度)，因此其提升通信容量的能力相对有限，而WDM凭借着其波长选择范围宽、技术相对成熟等优势，与PDM相比在信道复用能力和提升通信容量的性能上有着更佳的表现[33,35-36]。正如参考文献[38]和[40]所提到的，在实际中为充分发挥PDM与WDM的优势，人们也尝试了在OAM-DM系统中同时联用PDM与WDM技术以追求更高的通信容量与频谱效率，并且取得了较为优异的性能表现，这使得OAM-DM系统中联用多种复用技术的方案为人们进一步研究更高速率的OAM光通信技术提供了新思路[38,40]。此外，过去也有相关的工作在OAM-DM系统中采用了SDM技术[34]，尽管在通信性能上取得了较好的表现，但是由于SDM在实验操作上对光束尺寸的调控精度要求较高，且半径不同的同轴复用OAM光束在经长距离传输后其信道间的耦合作用可能会加剧，这会对通信质量造成些许影响，因此对于SDM与OAM-DM相结合的方案还有待研究者们进一步改进完善。

上述这些实验结果证明了OAM-DM技术在提高通信容量和频谱利用率方面具有巨大的潜力。同时，除了在自由空间构建OAM-DM系统外，OAM-DM系统还可以应用于光纤通信中[42-44]。从上个世纪九十年代起，研究者们就开始对光纤中OAM模式的传输特性展开研究，随着研究的深入，近些年研究者们也开始将目光转向基于OAM-DM的光纤通信系统，国内外许多课题组也搭建了基于OAM的光纤通信实验系统，成功实现了OAM多路信道的复用[42-44]。此外，水下信道环境OAM-DM系统的搭建也是近些年人们的研究热点之一[46-50]，其基本实验系统的构建与自由空间相似，仅仅是传输信道环境不同，因此本章节不做过多介绍。

4 OAM光束复用技术

在实现光通信系统大容量和高速率传输过程中，OAM复用可以高效地与其他复用方式结合在一起使用，这可以保证在原有的复用技术之上大幅度提升系统的通信容量和传输速率。在发射端，能够高效、低串扰地产生复用OAM光束是OAM光通信的一个重要研究内容。产生OAM复用光束的常用方法有采用分束器[34,112]、光子集成技术[107,113]、涡旋达曼光栅[40]、复合相位全息图[27,80,115]等。其中，复合相位全息图因其具有灵活、高效，各OAM态功率可调的特点，引起了广泛的关注。除此之外，复合相位全息图还可以用于实现OAM组播，在OAM复用系统中也得到了诸多应用。本节对上述的几种OAM光束的复用方法进行了概述，并重点介绍了采用复合相位全息图实现OAM复用的方法。

随着精密加工与集成技术的快速发展，基于光子集成技术的OAM复用方案成为了大容量高速光通信系统中的关键技术之一。2012年，Fontaine等[113]采用孔径阵列和星形耦合器组成光子集成电路(PIC)，实现了OAM光束的复用。如图6(b)所示，当光束从右方入射到星形耦合器的输入端口后，由于到达每个路径长度匹配波导入口处的光程差异会产生具有线性梯度相位的光束，再分别耦合到输出端口即可产生具有螺旋相位梯度的OAM光束。同理，当入射多光束时，输出端口会产生复用的OAM光束。通过增加波导臂的数量，该结构支持生成的OAM模式数可扩展到32个以上，且该结构可与单模光学元件(如光纤耦合元件、快速光电探测器)对接，具有体积小、效率高的特点，使得OAM空间多路复用技术在集成化的道路上迈出了一大步。2014年，Guan等[107]将混合3D光子集成电路(该混合器件由一个二氧化硅平面光波电路(PLC)和一个三维波导电路组成)应用于实际的自由空间相干光通信系统中，实现了OAM光束的高效复用，实验上成功传输了速率为20 Gbit/s，频谱效率为1.67 (bit/s)/Hz的正交相移键控(QPSK)信号且具有良好的抗干扰性能。

以DOVG为代表的光学衍射元件也可实现OAM光束的同轴复用，并且基于DOVG的复用方案也是由于DOVG本身独特的相位结构使得入射平面波衍射成能量相等的个级次的OAM光束。利用这一特点，如图6(c)所示，当束平面波沿着光栅衍射级次的角度入射时，出射端会在零级合成一束同轴光束，并且携带与衍射级次相关的不同OAM模式值。2015年，Lei等[40]正是基于DOVG，成功实现了10 OAM态、80个波长和两个偏振态的1600个独立调制QPSK/16-QAM复用数据的传输系统，其信道容量高达160 Tbit/s。自此以后，基于DOVG的复用方案成为OAM光通信领域的主流方案之一，为未来大容量高速OAM光通信链路的设计提供了参考。

尽管基于衍射光学元件的复用原理相对简单，但它要求在光学波段内加工纳米量级的超精确结构，并且一旦结构定型，其只能适用于特定的解调场合。因此实际应用中，往往通过在计算机可调控设备SLM上加载动态可变的相位全息图来实现衍射光学元件的功能[114]。而正是由于相位全息图的调控过程精确可控，采用复合相位全息图产生复用OAM光束的方案也引起了人们广泛的研究[27,80,115]。2006年，Lin等[80]提出一种基于复合相位全息图的产生复用OAM光束的方案。该方案基于角谐波与傅里叶变换之间的理论关系，采用一种可自发更替幅值和相位的迭代算法来设计复合相位全息图，并且通过设置算法的输入来控制复用光束中各OAM光束的能量比重，实现接近90%的能量利用率，从而有效地节约系统的能量。但是，在该方案中仍然存在着实际光束与预设目标光束功率分布偏差明显的劣势，该问题可通过优化迭代算法提高能量转化效率来解决。2015年，Zhu等[115]对该Lin算法进行初步改进，设计了另一个迭代过程来搜索一组优化的初始权重系数并将它们应用于Lin算法，利用该算法设计的复合全息图可将入射光束转换成100种OAM模式随机间隔和50种均匀间隔的OAM复用光束，其衍射效率超过93%。2017年，合肥工业大学郭忠义研究团队[27]对该迭代算法进行了进一步优化，通过改变迭代步长来扩大权重系数的选择范围，同时对不同的步长都使用相同的Lin算法来进行迭代，通过这种并行运算可以更进一步找出最优的解。基于该方案所产生的复合相位全息图如图6(d)所示，光束入射采用改进的Lin算法所生成的复合相位全息图后，其光强中心仍存在一个涡旋暗核，证明复合OAM光束仍然具有涡旋特性。且各OAM模式成分的功率分布与目标功率分布相近。

事实上，通过单一元器件产生同轴复用OAM光束的复用技术通常被用于实现相同数据信号复制到多个OAM模式信道的OAM多播/组播通信系统中。2013年，Yan等[116]将单个OAM空间信道传输的数据复制到了等间距的多个OAM信道上。通过在SLM上加载优化设计后如图6(e)所示的组播相位全息图，在实验上搭建了承载100 Gbit/s正交相移键控(QPSK)信号的单输入OAM光束进行5路和7路均衡组播的通信系统，且每路信道具有均衡的功率分布。相类似的复用技术还可用于特殊光束如贝塞尔OAM光束的复用系统。2015年，Zhu等[52]通过对复合相位全息图的设计与优化，实现了从高斯模式到多个同轴复用贝塞尔OAM模式的转化，其原理如图6(f)所示。该工作在实验上选择搭载20 Gbit/s 的QPSK信号来验证组播性能，其结果表明，对于10 OAM信道组播，其相邻信道间的串扰小于-15 dB，而进行4 OAM信道组播时，串扰小于-10 dB，均彰显出良好的通信质量。

值得一提的是，根据光源的相干性，OAM光束的复用方式可分为两类，即相干叠加复用和非相干叠加复用[117]。由于理论上单色激光源只发射单一频率的光波，但在实际的多激光源的OAM-DM实验系统中，激光源辐射出的光束总以某一频率为中心存在着一定频率宽度，且不同激光源辐射出的光束在偏振和相位上也存在着细小偏差，所以很难实现多个光源发射出完全相同的光束。因此过去的OAM-SK/DM实验系统中通常产生的为近似非相干的光源，其复用方式多为非相干复用，如图6(g)所示，其总光强处处等于各个光束的光强之和。实际上，相干叠加复用的方式多用于以单个激光器为发射源的通信系统，例如上文论述的OAM组播通信系统。两束光束频率相同，二者之间存在相互平行的偏振分量且具有稳定相位差的相干光场叠加后的光强即干涉光强，由于两个相干光场叠加区域的相位差不同，导致每个区域的干涉光强呈现出如图6(g)所示的不同分布。不同的叠加复用方式会使得接收端检测到的光信号大不相同，从而直接影响通信系统的性能。2019年，合肥工业大学郭忠义研究团队[117]对基于这两种叠加复用方式的OAM-SK通信系统做了对比，该工作仿真了两种不同复用叠加方式作为发送端和两种常用解调衍射元件(二维达曼叉形光栅和二维解调相位全息图)作为接收端组合而成的OAM-SK通信系统，并尝试传一个灰度值图像来对系统的性能进行评估。其结果表明，在具有不同OAM模式值的光束相干叠加复用的过程中，由于相长相消，接收端会获得较不规则的光强分布，直接导致解调后衍射级中心位置处的高斯亮点的能量降低，在抽样判决过程中发生错误。而对于非相干叠加复用方案，它遵循光强标量相加。不同光源之间具有很低的相互作用，因此接收端的光强分布较为均匀，损耗较小。因此，当解调方案相同时，在一定的判决阈值范围内，采用非相干叠加复用方案所得到的图像传输错误率比相干叠加复用方案低，通信性能更优。

5 OAM光束解调技术

OAM复用技术应用到光通信中后，使得光通信系统获得了超高的传输容量和频谱效率，这一优异的特性吸引了大量的国内外学者的关注。而对于OAM通信系统来说，接收端需要对传输后OAM光束所携带的信息进行高质量提取，这就使得OAM光束解调技术成为保证通信质量的关键所在。目前，国内外学者从OAM光束的特性出发，已经提出了多种不同的OAM解调方案。常见的传统方案主要包括基于螺旋相位板[74]、衍射光学元件[118-120]、相位全息图[27]、干涉或衍射[121-128]、光学几何变换[129-134]、模式转换法[135]、OAM谱分析[136]的方案等。而近些年，随着计算机科学技术特别是机器学习技术[137]的发展，出现了一些新型的OAM解调方案，如基于机器学习/深度学习的自适应OAM解调方案等[22,138-146]。本节对OAM光通信中几种传统的解调方案进行概述，并着重介绍基于机器学习的新型OAM光束解调方案。

5.1 传统OAM光束解调方案

以光栅为主的衍射光学元件也是解调OAM光束的选择之一。其结构图如图7(b)所示，由于该光栅不同的衍射级次上包含不同的OAM模式值，当OAM光束中包含相反的OAM模式值时，通过观察对应的衍射级上是否出现高斯亮点来判断该衍射级是否检测到对应的OAM成份[40,118]。2010年，Cottrell等[118]在此基础上提出了基于DOVG的解调方案。该方案可保证光栅各个衍射级上的能量分布接近理想的相同分布，使得基于DOVG的解调方案一度成为OAM解调技术的研究热门。2015年，Lei等[40]将DOVG用于大容量OAM光通信系统中，实现了10路OAM信道携带QPSK/16QAM信号的同步解调，其实验方案如图7(c)所示。该项工作对于简化OAM-FSO系统的设置，提高其可靠性有着积极的推动作用。与叉型光栅的功能相似，周期渐变光栅与环形光栅也可用作OAM光束解调元件，对这两种光栅研究工作也取得了良好的进展[119-120]。

在实际应用中，往往通过在SLM上加载动态可变的相位全息图来实现SPP或DOVG的功能。2019年，合肥工业大学郭忠义研究团队[117]对基于DOVG和计算全息图的两种OAM光束解调方案进行了详细对比与讨论。在该工作中，对于DOVG，采用的是两互相垂直的一维DOVG相互叠加而得到的二维DOVG；对于计算全息图，采用的是基于改进后的Lin迭代算法设计的各个衍射级能量取值任意可控的新型纯相位二维解调全息图。同时，该工作中还考虑了这两种方案对相干叠加和非相干叠加OAM光束的解调效果，其结果如图7(d)所示，二维解调相位全息图实现零传输像素错误率(PER)的判决阈值区域整体要高于二维DOVG。这是因为二维DOVG不能将所有入射光能量集中在目标OAM模式值上，这会对其他衍射级造成不必要的能量损失。而二维解调相位全息图只要迭代误差足够小就可以实现能量的高效集中，因此在能量利用方面二维解调相位全息图更为优秀。

基于光学几何变换的OAM解调方案近些年受到了研究人员的关注，并且取得了较大进展。2010年，Berkhout等[129]提出一种基于光学几何变换的高效OAM解调方案。该方案中，OAM光束先后入射两个加载着特殊相位全息图的SLM，分别实现笛卡尔坐标下OAM光束螺旋相位到极坐标下梯度相位的几何变换和出射光程差的校正，接着再通过透镜将具有不同OAM模式值的光束聚焦在如图7(g)所示的不同横向位置上，且亮斑的横向位置与OAM模式数相关，因此，通过判断焦平面上亮斑的位置，可以实现对OAM模式的区分。但该方案仍然面临着在分离间隔为1的相邻OAM模式时会出现光斑重叠的问题，这种由于光束重叠所带来的串扰在实际的通信系统中会严重影响系统的复用能力和传输信号的质量。为了解决这个问题，2013年，Mirhosseini等[130]提出使用fan-out的几何变换技术来改善分离效果。该方案使用周期相位全息图作为fan-out元件来对衍射光斑进行多次复制，通过增加光斑的相位梯度使得衍射条纹更加精细，避免了光斑的重叠问题，最终实现解调效果的改善。此外，对光学几何变换方案的研究也在稳步推进。2018年，Wen等[131]提出了基于对数螺旋几何变换的方案。如图7(h)所示，这种方案不仅可以实现OAM光束的并行、高效的解调，同时由于螺旋线变换后光束的长度足够细长，与fan-out的最终解调效果类似，也有效避免了相邻OAM模式间光斑的重叠所引入的串扰。

值得一提的是，在OAM光束的生成方案中，一组特殊设计的柱形镜系统能将HG模式转换成LG模式，事实上其逆过程也可用于OAM光束的解调，其实验方案如图7(i)所示，该方法通常被称为模式转换法[135]。通过观察HG光强图中光斑的行数和列数，即可确定OAM模式值。

此外，基于旋转多普勒效应的OAM谱分析方案也吸引了研究者的关注[136]。该方案核心在于对OAM光束入射到旋转物体后产生的基模拍频信号进行傅里叶分析，由于其基模拍频信号的角频率是待测OAM光束与参考光束的OAM模式值之差，其幅度正比于待测OAM光束的幅度，通过对收集到的基模信号功率进行傅里叶分析，即可得到待测OAM光束对应的OAM谱。

5.2 新型OAM光束解调方案

过去研究者们在上述这些传统OAM方案的优化与改进上进行了坚持不懈地探索，也取得了很大进步，推动着OAM光通信技术不断向前发展。但是需要指出的是，这些传统解调方案在所需成本、解调速度和精度、解调范围、器件加工难度上还有些许提升的空间(如表2所示)。此外，对于实际的OAM光通信系统，大气湍流所引起的OAM光束畸变对解调工作也带来了极大挑战，因此，研究恶劣大气传输环境下OAM光束的解调方案迫在眉睫。

近些年，机器学习技术凭借着其强大的数据解析及信息处理优势在计算机工程及图像处理等领域得到了广泛应用[137]。而在OAM光通信领域，越来越多的人也将目光转向该项技术，对基于机器学习/深度学习的OAM光束解调方案进行了不断的探索，取得了一些突破。

2014年，Krenn等[22]首次将机器学习中无监督学习经典模型之一的自组织映射(SOM)神经网络应用于OAM光通信领域来实现OAM光束的解调任务。在该方案中，接收的具有不同分布特征的OAM光束强度畸变图像被输入SOM网络用于训练，利用竞争学习策略，SOM网络可依靠网络中不同神经元之间的互相竞争不断迭代更新神经元上的权值以训练优化网络。在训练完成后，SOM网络对输入的不同OAM模式值光束的强度分布图像有不同的响应输出，即可初步实现一般大气湍流传输环境下，未知OAM光束的分类任务。

随着深度学习技术的不断发展，基于深度神经网络(DNN)的OAM光束解调方案使得OAM光束的解调准确率和精度上都迈上了新台阶[138]。而深度学习中监督学习的经典模型之一——卷积神经网络(convolution neural network，CNN)，得益于其能使用具有局部连接和权值共享的多层表示学习技术来提取和识别输入原始图像的固有特征，其在实现OAM光束解调的任务上也有着相当卓越的表现。

表2 不同OAM光束解调方案的性能比较

2017年，Doster等[139]首次将CNN引入OAM光通信领域来实现OAM光束的高效解调。如图9(a)所示，该方案中选用了CNN的经典模型——AlexNet模型，并将其训练为一个OAM解调器，通过对输入图像强度分布特征的提取，依据不同OAM模式特征分布不同的特性来实现携带OAM的复用BG光束的精准解调。同时，在与传统的共轭解调方案的性能进行比较后，其表现出的远高于传统解调方案解调准确率的巨大优势，使得基于深度学习技术的OAM光束解调方案成为OAM光通信领域一个新的研究热点。同年，Li等[140]设计了一个基于CNN的m-ary自适应解调器，并且与基于K近邻(KNN)、朴素贝叶斯(NBC)、反向传播人工神经网络(BP-ANN)等网络的解调器进行了性能对比，其结果如图9(b)所示。仿真结果表明，即使在强湍流信道环境与1000 m的传输距离下，基于CNN的解调方案错误率仅为0.86%，与基于KNN、NB和BP-ANN解调方案的错误率相比降低了近30%。在此基础上，该课题组在后续的工作中继续深化改进了CNN结构层数，进一步实现了大气湍流探测的功能，且其湍流强度检测准确率高达95.2%[141]。

对于实际的通信系统，当基于CNN的解调方案与其他传统光通信技术相结合时可保证系统有着更高质量的信息传输与解码能力。2018年，Tian等[142]就首次提出了一套基于8层的CNN自适应解调器与Turbo编译码联合方案的OAM-SK-FSO通信系统。其系统框图如图9(c)所示，该工作以传输灰度值图像为例，在将图像的每个像素值转换为二进制序列后，先对其进行Turbo编码，后通过SLM将编码后序列映射为不同的OAM模式值，经过自由空间传输后，接收端捕获光强图像并送入训练好的CNN网络来实现OAM光束解调，最后进行Turbo译码和序列的解映射，从而恢复传输的灰度值图像。该联合方案的提出，使得基于CNN的OAM光通信技术在系统化道路上迈出了一大步。同年，Zhao等[143]对传统CNN做出了改进，如图9(d)所示，通过增加多视野池化层来多维度提取不同光强分布的特征，并在网络训练过程中采用数据扩增技术，实现了对多角度偏移OAM光束的自适应解调。2018年，Jiang等[144]在Li等[140]研究的基础上，提出了CNN与相干解调的联合方案。该方案框图如图9(e)所示，在CNN处理之前先采用相干解调技术即用本振光与传输的OAM光束先进行干涉，再将捕获的干涉图像送入CNN进行后续分类处理。其仿真结果表明，与非相干系统相比，该方案具有较高的检测图像信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)和更高的解调准确率。

过去的工作在CNN层数较少时解调准确率相对较低；而在层数较深时，训练参数多，计算复杂度上升且可能存在过拟合。针对这些问题，2019年，合肥工业大学郭忠义研究团队[145]在网络计算复杂度和识别准确率之间做出权衡，在CPU平台中建立了一个特殊设计的6层CNN结构。其系统方案及CNN结构设置如图10(a)所示，在该方案中，通过在CNN训练过程中引入分批训练法与学习速率指数下降法以及在两层全连接层之间插入dropout单元等优化方法，实现了在不同大气湍流强度、传输距离、OAM模式间间隔等情况下OAM光束的高效解调。同时，该工作中比较了解调单个OAM光束与复合OAM光束的性能表现，其仿真结果表明，基于该特殊设计的CNN结构，同轴复用OAM光束即使在强湍流的信道环境下经过2000 m长距离传输后，仍能获得96.25%的OAM解调精度，这使得对基于CNN的自适应解调器的研究迈上了新的高度。同年，Chi等[146]对过去多种基于CNN解调器的OAM-SK系统进行了总结。如图10(b)所示，该工作中系统总结了不同发射模式(包括发送单OAM光束、共轭叠加OAM光束与复合OAM光束)与不同接收方法(包括相干接收与非相干接收)下用CNN进行解调的性能情况。该成果对推进基于CNN的OAM解调技术的系统化与成熟化有一定的参考价值。

总体而言，凭借着所需成本低、速度快、精度高、解调范围大、器件加工难度低且无需冗余的光学设备等优势，基于机器学习/深度学习的OAM光束解调方案仍是目前OAM光通信领域中的一个研究热点，该技术对今后实现光信号的超高速解调及构建更大容量的高速光通信网络具有积极的推动作用。

5.3 高阶径向模式的OAM光束解调方案

目前，对OAM光束解调方案的研究已经取得了较大的进展。值得一提的是，OAM光通信系统中常用的LG光束，除了其携带的OAM模式可作为角向维度资源来利用之外，其携带的径向模式(p模式)也可作为新的空间维度资源应有用于光通信。这是因为具有不同径向模式的LG光束之间也满足相互正交的条件，因此径向模式的解调方案也具有一定的研究价值。近些年，同时使用角向与径向模式的OAM复用系统正在被初步探索[147-149]。

Fig .9 (a) Classical architecture of CNN——AlexNet. The black squares represent the convolution kernel used to extract image distribution features, after the input image passes through several layers of convolution layer (including activation and pooling operation), softmax classifier of the fully connection layer calculates the probability of the input belonging to each class respectively, and then realizes OAM mode classification[139]; (b) Demodulation performance comparison of adaptive demodulator based on CNN, KNN, NBC and ANN[140]; (c) Turbo-coded 16-ary OAM shift keying FSO communication system combining the CNN-based adaptive demodulator[142]; (d)Improved CNN structure with a view-pooling layer and schematic diagram of the view-pooling layer[143]; (e) Diagram of the coherently demodulated OAM-SK system based on CNN[26]

6 OAM通信的湍流效应抑制技术

在实际的OAM光通信系统中，制约信号传输质量的一个重要因素是大气湍流。大气湍流带来的影响实质上是因温度随机变化和空气对流运动所引起的空气折射率的波动，极大地扰动了传输光束的相位波前，造成光束畸变、漂移、扩展以及到达角偏差[150-157]，进而带来OAM信道间串扰，降低信道容量，使得通信质量急剧恶化[158-162]。因此，为减轻湍流效应，降低信道串扰以保证信号的高质量传输，湍流效应抑制技术成为了人们研究的重点，也取得了较大进展[163-177]。

目前主流的湍流效应抑制技术可分为两大类：基于自适应光学(AO)的抑制方案[163-173]和基于信号处理的抑制方案[174-177]。基于AO的抑制方案可对接收的OAM光束的失真波前进行校正，其可根据技术细节进一步细分，如根据是否利用测量失真相位的波前传感器(wavefront sensor，WFS)，可分为有WFS和无WFS(包括基于相位恢复算法或机器学习算法的无WFS方案等)类型；根据是否使用探测失真相位的参考光束，可以将其分为有探针和无探针类型；根据相位校正装置位置的前后可分为预补偿和后补偿类型。而基于信号处理的抑制方案，较常见的是采用数字信号处理(digital signal processing，DSP)相关算法，如多输入多输出(multiple inputs and multiple outputs，MIMO)均衡算法以及信道编码等技术，来提升通信质量，且由于该类方案无需额外的光学装置，在实用性与经济性方面有一定优势，因此也是未来大气湍流效应抑制方案的一个主要拓展方向之一。

6.1 基于自适应光学(AO)的湍流效应抑制方案

由于OAM光束相位奇点的存在会降低传感器的探测精度，因此用传统的波前传感器(WFS)直接测量OAM光束的波前仍然面临着测量结果失准的难题。为了克服这个问题，2014年，Ren等[163]提出了一种利用单独高斯探针光束进行相位畸变传感的AO方案。如图12(a)所示，发射端通过偏振分束器将高斯探针光束与其偏振态正交的OAM光束复用并在湍流环境中同轴传播，在经历了相同的波前畸变后，在接收端，被滤除后的高斯探针光束入射到WFS进行波前畸变的评估，再推导出畸变相位的校正模式并通过反馈控制器发送到波前校正器来的两束光进行相位补偿。其实验结果表明，在采用该湍流效应抑制方案后，相邻OAM模式间的串扰被有效地降低了12.5 dB，功率代价提升了11 dB。同年，考虑到双向通信链路中反向传播的载波光束也有可能发生类似湍流畸变，因此该课题组在上述方案的基础上设计了一个可对双向FSO链路中畸变OAM光束进行预补偿和后补偿的系统[164]。其概念图如图12(b)，TX-1和TX-2处分别生成携带数据的OAM载波光束并在相同大气湍流环境中沿相反方向传播。其中，TX-2侧设置AO系统，对接收到的来自于TX-1的畸变OAM光束进行相位校正，而由TX-2发出的OAM光束先经AO系统的校正后再发送至TX1。随后，在RX-1和RX-2处分别对接收到的两路OAM波束进行解调与信号处理。此外，针对高斯探针光束占用了一个偏振度而牺牲了复用的偏振自由度的问题，2015年，该课题组继续对先前的工作做出改进，提出充分利用波长维度资源，使用单独波长的高斯探针光束来避免牺牲偏振自由度的AO方案[165]，其概念图如图12(c)，该方案使得基于AO的湍流效应抑制在成熟化和系统化的道路上迈出了一大步。

尽管以GS算法和SPGD算法等相位检索算法为代表的无WFS的AO方案在湍流效应抑制工作上取得了较为优秀的表现，但是在算法便捷度上仍有提升的空间并且其校正的范围依旧相对有限。而近些年随着机器学习技术的迅猛发展，基于机器学习技术的AO方案凭借着其相应速度快和校正质量高等优势越来越受到人们的关注。2018年，Lohani等[173]设计了一种基于人工神经网络的AO方案。

如图12(h)所示，训练好的人工神经网络用于测量畸变的OAM光强分布，对未知湍流强度做出预测并推算出校正相位，通过反馈回路采用预补偿的方式来减小湍流对OAM光束的影响。仿真结果表明，接收端接收到的经校正后的光强分布与期望的光强分布基本相同，均方误差指数接近于零，从而大大提高了OAM-FSO链路的鲁棒性，这也为后续新型AO抑制方案的设计提供了新思路。

6.2 基于信号处理的湍流效应抑制方案

目前，上述的基于AO的湍流效应抑制方案已广泛应用于OAM光通信领域。此外，基于信号处理的湍流效应抑制方案凭借着复杂性小、成本低廉等优势也吸引着研究人员的关注，取得了一系列进展。在传统无线通信领域常见的信号处理方法如多输入多输出(MIMO)均衡技术和信道编码技术等，均可用于OAM通信系统中来减轻湍流效应。

2014年，Huang等[174]实验上利用外差检测技术设计了一个适用于OAM-FSO通信链路的4×4自适应MIMO均衡器。其装置如图13(a)所示，首先，接收端的分光器对接收到携带信号的复用OAM光束进行分束，接着进行OAM光束解调操作，解调后的光束在与本振光束相干后一并送入光电二极管进行光电转换，然后通过一个四通道实时示波器采样，最后对多路采样信号进行离线MIMO数字信号处理。其实验结果表明，MIMO均衡有助于减轻由湍流引起的串扰，采用MIMO均衡技术后OAM复用光通信链路中信号的误差矢量幅度(EVM)和误码率(BER)均明显下降，功率代价提升了4.5 dB左右。而针对MIMO技术在强湍流环境下可能会失效的问题，2016年，Ren等[175]提出了空间分集技术与湍流效应抑制技术相结合的联合方案。如图13(b)所示，实验结果证明在弱湍流信道环境下，仅使用4×4 MIMO均衡可以帮助恢复系统BER，且功率代价低于2.5 dB。而在强湍流信道环境下，双OAM信道可通过空间分集技术和MIMO均衡来恢复，且功率代价低于7.5 dB。此外，一些传统信道编码技术如LDPC码[19,176-177]，Turbo码等[19,142]也是降低湍流信道环境下通信链路误码率的良好选择，通过信道编码技术往往可使OAM通信链路的误码率降低4到6个数量级[19]。这些方案的提出大大提升了系统的鲁棒性，使得OAM光通信技术在实用化的方向上迈出了一大步。

7 结论与展望

利用OAM模式值的无穷性和OAM光束之间的正交性，基于OAM的光通信技术改变了以往光通信局限于波长/频率、时间、复振幅和偏振等维度资源的现状，对空间维度资源进行了充分利用，并由此产生的OAM-SK及OAM-DM两种通信机制使得传统光通信技术迈上了一个新台阶。利用OAM光束作为信息载体为丰富FSO光通信系统中的调制方式和在空间维度方面提升信息传输容量提供了潜在的解决方案。本文从OAM的基本理论出发，综述了OAM光束的种类及产生方案。同时，对近些年OAM-SK和OAM-DM这两种应用机制的典型研究方案进行了概述，对其中涉及的OAM光束复用技术、解调技术和OAM光通信湍流效应抑制技术等关键技术进行了详细阐述。

随着全球信息一体化进程的加速，海、陆、空、天化跨场景的光通信网将会是未来通信发展的重要趋势，而OAM光通信有望在光通信组网领域大放异彩。这就要求着OAM光通信的核心器件需向着更加小型化和集成化的方向发展。例如，研究发展具有更高刷新速率和更快响应时间的调制器件，以满足更加高速的通信需求；研究发展更加简易小型的解调器件以满足大规模通信组网的需要。并且，通信组网对信道传输环境要求较高，这就使得需要充分考虑传输信道如自由空间、光纤、水下等复杂介质的传输信道损耗及损伤机制，从而进一步设计和改进适用于复杂信道环境的OAM光通信方案。总之，OAM光通信作为一种新型光通信技术目前已经受到了研究人员的广泛关注，但是仍然存在着些许问题与挑战，值得进一步深入研究和解决。此外，OAM除了在光通信领域有所发展，其在声通信及传统射频通信领域也有着十分广阔的应用前景[178-179]，其未来是否能参与推动下一代无线通信技术的革命性变革，值得期待。

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Research advances of orbital angular momentum based optical communication technology

Guo Zhongyi1*, Gong Chaofan1, Liu Hongjun1, Li Jingjing1, Wang Zikun1, Yang Yang2, Gong Yubin2

1School of Computer Science and Information Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China;2National Key Lab on Vacuum Electronics, School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, Sichuan 610054, China

Schematic illustration of physical dimension resources of photons

Overview:In recent years, expanding capacity of communication systems has become an urgent problem in the communication field, and the exploration of more communication resource dimensions has become an inevitable trend in building high-speed communication technologies. Momentum is a fundamental quantity in physics. Besides linear momentum, structural beam can also carry angular momentum, including spin angular momentum and orbital angular momentum (OAM). OAM is widely studied in classical mechanics and quantum mechanics. It should be noted that the OAM carried by the vortex beam provides a new dimension resource for the spatial domain of the light wave. Using the infinity of OAM mode values and the orthogonality between OAM mode values, OAM-based optical communication technology has changed the previous situation that optical communication is limited to dimensional resources. There are two mechanisms in current OAM-based optical communication. The first is to map the digital signal to different OAM beams and each OAM mode represents one data bit according to the diversity of the OAM modes, which is called OAM shift keying (OAM-SK). The second is to use the OAM beam as the carrier of the modulated signal and utilize the orthogonality between different OAM modes to achieve channel multiplexing so as to multiplying the channel capacity, which is called OAM division multiplexing (OAM-DM). These two communication mechanisms have brought traditional optical communication technology to a new level. In order to achieve high-quality communication performance, they are still urgent problems to make the OAM beams’ generator more integrated, and design more efficient OAM multiplexing and demodulation modules. Here, this paper introduces the basic theory of OAM, and summarizes the types of OAM beams and their generating schemes. At the same time, the typical research schemes of two application mechanisms of OAM-SK and OAM-DM in recent years are summarized, and the key technologies such as OAM multiplexing technology, demodulation technology and atmospheric turbulence suppression technology involved in them are also described in details.

Citation: Guo Z Y, Gong C F, Liu H J,Research advances of orbital angular momentum based optical communication technology[J]., 2020, 47(3): 190593

Research advances of orbital angular momentum based optical communication technology

Guo Zhongyi1*, Gong Chaofan1, Liu Hongjun1, Li Jingjing1, Wang Zikun1, Yang Yang2, Gong Yubin2

1School of Computer Science and Information Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China;2National Key Laboratory on Vacuum Electronics, School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, Sichuan 610054, China

Orbital angular momentum (OAM) carried by the vortex beam provides a new dimension resource in the spatial domain of light waves, which attracting more and more researching attentions. Since the vortex beams with different OAM mode values are orthogonal to each other, the OAM mode is introduced into the field of traditional optical communication, and two new application mechanisms are derived: OAM shift keying (OAM-SK) and OAM division multiplexing (OAM-DM), which provides a potential solution for future high-speed, high-capacity and high-spectrum efficiency optical communication technologies. Based on the basic concepts and theories of OAM beam types and their generation methods, this paper will give a brief overview of typical research cases related to the application mechanisms of these two communication systems. Three key technologies have been discussed, including OAM beam multiplexing technology, OAM beam demodulation technology, and turbulence suppression technology of OAM-based optical communication. Finally, the future developing trends and prospects of OAM-based optical communication technology are analyzed and forecasted.

orbital angular momentum; free-space optical communication; OAM multiplexing; atmosphere turbulence

TN929.1

A

10.12086/oee.2020.190593

: Guo Z Y, Gong C F, Liu H J,. Research advances of orbital angular momentum based optical communication technology[J]., 2020,47(3): 190593

2019-10-03；

2019-11-04基金项目：国家自然科学基金资助项目(61775050, 61531010)；中央高校基本研究经费(PA2019GDZC0098)

郭忠义(1981-)，男，博士，教授，主要从事先进光通信技术、涡旋雷达技术、偏振智能信息处理、光电信息器件等的研究。E-mail：guozhongyi@hfut.edu.cn

郭忠义，龚超凡，刘洪郡，等. OAM光通信技术研究进展[J]. 光电工程，2020，47(3): 190593

Supported by National Natural Science Foundation of China (61775050, 61531010) and Fundamental Research Funds for the Central Universities of China (PA2019GDZC0098)

* E-mail: guozhongyi@hfut.edu.cn