作者简介:袁小聪(1963—),男(汉族),上海市人,深圳大学特聘教授、长江学者. E-mail: xcyuan@szu.edu.cn
中文责编:方 圆; 英文责编:海 潮
1)深圳大学光电工程学院,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,深圳 518060; 2)南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071; 3)暨南大学光子技术研究所,广州510632
Yuan Xiaocong1, Jia Ping2, Lei Ting1, Zhang Meng2, Min Changjun1, Li Yuru3, Li Zhaohui3, and Niu Hanben11)College of Optoelectronic Engineering, Key Laboratory of Optoelectronic Devices and System of Ministry of Education and Guangdong Province, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China2)Institute of Modern Optics, Key Laboratory of Optical Information Science and Technology of Ministry of Education, Nankai University, Tianjin 300071, P.R.China3)Institute of Photonics Technology, Jinan University, Guangzhou 510632, P.R.China
optical communication technology; optical vortices; orbital angular momentum; free-space optical communication; multiplexing; modulation; uncertainty principle; communication capacity; bit error rate
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.04331
光学旋涡(optical vortices, OV)光束包含螺旋型相位因子,具有全新的自由度——轨道角动量(orbital angular momentum, OAM).OAM本征值为l, 且理论上拓扑荷l可取任意整数,这为光学旋涡在光通信系统中的各种应用提供基础.目前有很多方法可用于光学旋涡的产生与检测,而光学旋涡在光通信系统中的应用也正是基于这些方法.OAM在自由空间光通信系统中的应用机制可分为OAM键控(OAM状态作为调制方式)和OAM复用(OAM光束作为复用信道).针对这两种机制已展开大量的理论研究和实验探索,认为光学旋涡可为丰富自由空间光通信系统的调制方式和增加传输容量提供潜在的解决方案.光学旋涡光束的OAM和角向位置的不确定性关系也为之带来了与生俱来的安全优势.光学旋涡的独有特性为光通信系统的性能改善提供了巨大潜力.
An optical vortices(OV)beam with a helical phase term shows a new degree of freedom, namely orbital angular momentum(OAM). The eigenvalue of OAM is l, and the topological charge l can be any integer in principle, which offers the basis for various applications of OV in optical communication system. There are many approaches so far for the generation and detection of OV on which the applications of OV in optical communication are based. The application mechanisms of OAM in free-space optical communication(FSO)system can be classified into two different categories: one is OAM shift keying(OAM-SK)where OAM states play as modulation formats; the other is OAM division multiplexing(OAM-DM)where OAM beams play as multiplexing channels. For these two mechanisms, there has been mass theoretical researches and experimental explorations. OV offer potential solutions for enriching the modulation formats or increasing the transmission capacity of FSO system. Furthermore, the uncertainty relationship between OAM and angular position of OV beams also brings about inherent security advantage. These characteristics of OV can provide great potential to improve the performances of OAM-embedded FSO communication system.
旋涡是自然界的常见现象,它普遍存在于水、云及气旋等经典宏观系统,也存在于超流体、超导体及波色-爱因斯坦凝聚等量子微观系统中[1],旋涡被认为是波的一种固有形态特征.光作为电磁波的一种形式,同样具有旋涡的特征,当光束具有螺旋形的波前结构时,就称它为光学旋涡(optical vortices, OV)光束.
由于螺旋形波前位相信息不确定性引起的强度相干相消,OV光束具有中心位相奇点[2]. OV光束中的光子具有方位角相关的位相项exp(ilφ), 其中, l定义为OV光束的拓扑荷(topological charge, TC),理论上可以取任意整数; φ为空间方位角. OV光束中每个光子承载了l的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)[3-5], OAM的量子性已经被下转换光子对的OAM纠缠所证明[6], Leach等使用干涉仪方法实现了对承载不同OAM的单光子区分,与只拥有两个态的自旋角动量(spin angular momentum, SAM)相比,轨道角动量拥有无限个本征态,对应不同的l值. 所以,理论上单光子的OAM可承载无穷多比特的信息. 这个重要的特性使OAM成为用于经典和量子数据编码的一个新维度[3,7-9],在自由空间光通信(free-space optical communication, FSO)中承载信息[10-12].自由空间泛指大气、外太空、真空以及不同于光纤或光缆等固态介质的光传输媒介,FSO是一种利用光在自由空间传输来传递数据,用于通信或计算机网络的光通讯技术.其主要应用于因高昂造价或其他限制而不能直接实现物理性链的特殊情况下.FSO系统有很多优点,如构建简易、长距离无牌照运行(与无线通信相反)、高比特率、抗电磁干扰、协议透明以及光束优良的方向性和微小发散带来的高保密性.基于OAM的FSO通信系统的潜在应用领域包括:① 蜂窝系统建立基站与移动终端交换机的互连(mobile telephone switching office, MTSO); ② 接入网和楼宇间的连接,增加数据速率、降低价格和系统调度时间; ③ 拓展无线通讯覆盖范围的超宽带通信; ④ 通过连接Wimax基站和OAM的FSO系统,提高覆盖率和可靠性; ⑤ 提高地面与卫星之间的FSO通信传输速率; ⑥ 卫星与卫星、深空及近地光通信; ⑦ 航天器与卫星之间的通信.
介绍OV在自由空间光通信的应用之前,有必要了解OV的产生和检测方法.根据理论分析和实验结果,很多方法可用于产生和探测OAM,进而实现对OV的区分.
螺旋位相片(spiral phase plate, SPP)是产生螺旋波前最显而易见的方法,其示意图如图 1.平面波通过位相片能生成具有轨道角动量为l的光学旋涡.位相片的光学厚度h随角向位置的增大而增大,其关系为h=lλθ/[2π(n-1)], 其中, n为介质的折射率; λ为光波长; θ为空间方位角[7, 13].虽然螺旋位相片的概念简单,但它要求在光学波段内加工纳米量级的超精确螺旋面,因此,其他一些产生螺旋波前的方式也被相继提出,如利用柱面镜的模式转换器和计算全息图等.
大多数承载OAM的光束可被一组完整正交的Laguerre-Gaussian模式(LG 模)所描述. LGpl模的复振幅可表述为[3,8,14]
LGpl=((2p!)/(π(p+|l|)!))1/21/(w(z))[(r21/2)/(w(z))]|l|exp[(-r2)/(w2(z))]×
L|l|p[(2r2)/(w2(z))]exp(ilφ)exp[(ik0r2z)/(2(z2+z2R))]×
exp[i(2p+|l|+1)tan-1(z/(zR))](1)
其中, r、 φ和z为柱坐标; k0为波数; 高斯项的光束半径w(z)=w(0)[(z2+z2R)/z2R]1/2, w(0)为束腰; zR为瑞利距离;(2p+|l|+1)tan-1(z/zR)为古依位相(Gouy phase); L|l|p(x)是缔合拉盖尔多项式,可由拉盖尔多项式得到
L|l|p(x)=(-1)|l|(d|l|)/(dx|l|)Lp+|l |(x)(2)
其中, l为光子的OAM方位角参数,对应每个光子l的轨道角动量; p为轴向模式强度分布数.在强度交叉项,LG模(l>0)由 p+l个同心环环绕一个轴上的强度零点构成.
除LG光束[15]外,一些其他光束也包含相似位相结构,如高阶Bessel光束[16]和Mathieu[17]光束等.
1992年,Allen等最早认识到一组特殊设计的柱形镜望远系统能将Hermite-Gaussian(HG)模转换成LG模[3-5]. 事实上,一个45°的HG模可以分解成一组HG模,通过调控这组HG模的位相再合并,就能够产生需要的LG模. 位相的调制是通过柱状透镜聚焦HG模时,不同阶和不同方向的模引入不同位相实现的. 图2为3个具有不同相移的HG模合并后产生的LG模LG02,其具体对应关系为-1/2HG02+i/(21/2)HG11+1/2HG02=LG02.
基于柱状透镜的不同,主要有两种模式转换器:π/2转换器和π转换器.π/2转换器可将任何45°入射的(m, n)阶HG模转化为(l, p)阶LG模(l=m-n, p=min(m, n)). π转换器可将任何模式转化成自己的镜像,类似于Dove棱镜[18]. 这种模式转换产生OV的方法与全息法相比,其优点在于能量转换效率仅受限于透镜的增透膜质量,可获得更高的能量转换效率.
图2 模式间的分解与合成[18]
Fig.2 Decomposition and combination of modes[18][Courtesy of Optical Society of America]
由于折射型光学器件越来越复杂,衍射光学元件(diffractive optical elements, DOEs)成为产生OV的另一种选择.高斯光束可被转换成螺旋位相模式exp(ilφ). 图3(a)所示的波前由l阶螺旋组成.实际上,设计的位相分布通常被叠加一个线性的位相斜坡,其和对2π求余后形成叉形衍射光栅,如图3(b).
叉形光栅能在一级衍射方向上产生OV光束,这种衍射光学元件实际上是所需光学元件的全息图,或称为计算全息图(computer generated holograms, CGHs)[19].产生螺旋光束的全息图为叉形光栅或螺旋菲涅尔镜(spiral Fresnel lenses)[19],这种技术在商用空间光调制器(spatial light modulator, SLM)上被广泛实现.与传统全息图加工技术相比,SLM能通过动态调制简单快捷地产生全息图.
图3 Gaussian光束通过衍射元件转换成OV的原理[14]
Fig.3 Schematic of converting Gaussian beam to OV by diffractive components[14][Courtesy of Optical Society of America]
除了上述的OV产生方法外,还有一些其他的方法,如非均匀各项异性元件[20]、亚波长介电光栅[21]及金属纳米天线等[22].
以下介绍几种常用的OV光束轨道角动量检测方法,并将在第2节详细综述这些检测方法在FSO中的应用.
OV检测的干涉法有多种,如一个具有l轨道角动量的OV与平面波相干,可产生具有l个螺旋状条纹的干涉图样[23-25],这是一种简单测量OAM的方法,但它需要同一本征态上有足够多光子,不能用于单光子水平的探测.
理论上,旋转频移引入的频率旁瓣也是一种测量l的方法[26], 但很难排除对准偏离的影响[27]. 事实上,一种更简单的干涉法是在每个干涉臂中加入Dove棱镜[28-29]或多个针孔片[30]来测量OAM, 如图4.若棱镜间的夹角为α, 两个干涉臂间的相移Δφ=2lα, 就可从Δφ和α推导出拓扑荷l. 此系统可在单光子层面分辨轨道角动量、自旋角动量及总角动量(total angular momentum, TAM).但这样的系统在工程实现上很具挑战,尤其是同时检测多个本征态.
图4 基于Dove棱镜Mach-Zehnder干涉仪的OAM分类装置[28]
Fig.4 An OAM sorter based on Mach-Zehnder interferometer with a Dove prism placed in each arm[28][Courtesy of the American Physical Society]
正如1.1.3节所讨论,叉形衍射光栅能将高斯光束转换成承载轨道角动量的螺旋位相光束,其逆过程也成立:承载l轨道角动量的OV光束照射在具有exp(-ilφ)位相结构的叉形光栅产生高斯平面波,如图5(a). 光栅后的单模光纤用来检测入射光束是否为单模. 用探测器代替单模光纤,同样的光栅系统就可用来检测OV:具有轨道角动量的OV转换为高斯光束,有效地耦合到光纤或探测器,如图5(b).此外,加载了螺旋位相图案exp(-ilφ)的SLM能产生与叉形光栅相似的作用.
图5 叉形衍射光栅将OV光束转换为高斯光束耦合到探测器[14]
Fig.5 A forked diffraction grating centered on the beam axis can convert an OV beam into Gaussian beam, which can then be coupled to a detector[14][Courtesy of Optical Society of America]
多个平面波可从聚焦平面上的位置来分辨.当两个平面波有2π的相位差,它们的焦点接近Rayleigh衍射极限. 测量OAM的关键性光学元件能将螺旋位相转化成横向的位相梯度,等价于同心环图像转化为平行线,如图6(a)和(b). 在图6(a)中,通过对纯OAM模式的交叉项整形,沿方位角分布的光斑被转化成笛卡尔坐标(水平坐标).图中所示为交叉项l=1的情况,亮度代表光强; 线代表所选取几个相位值的位置.得到的交叉项在水平方向有均匀的相位梯度,且正比于l. 通过透镜,具有不同水平相位梯度(l值)的光斑被聚焦到水平方向不同的位置.在图6(b)中,灰度值代表实验中相位全息图在空间上加载的相位.经过全息图(i),OAM光束在其Fourier平面上,实现从笛卡尔坐标到极坐标的几何变换.全息图(ii)修正光束不同部分的光程差.通过设计的位相纠正器,输入的OAM状态可以聚焦在一系列的横向位置上并被CCD阵列检测[31-32].
图6 螺旋位相光束图像重构为线性位相梯度[31-32]
Fig.6 Image reformatting of beams with a helical phase into a linear phase gradient[31-32][Courtesy of Optical Society of America and the American Physical Society]
部分实验结果如图6(c),3个OAM状态被分离,其中,前两列图像分别为理论计算的3种不同l入射光在全息图(i)前(第1列)与全息图(ii)后(第2列)的位相和强度分布,后两列为数值模拟(第3列)和实验观测(第4列)到的CCD成像.图像重构法有观测单光子OAM的潜力[33],可同于光通信和量子光学等领域[34].
CGH可实现某些特殊的OV分布,例如旁瓣调控光学旋涡(sidelobe-modulated optical vortices, SMOV)[35-36]. OV的旁瓣通过CGH参数调制可以被推移到特定的位置,如图7.所以测量半径比值可以检测OAM.这种方法的优势在于SMOV对光束与光学元件之间的对准和位相匹配要求不苛刻,此特性可用于FSO通信系统,以简化传统系统并增加数据容量[37].
图7 基于SMOV的OAM检测[37]
Fig.7 Characterization of OAM based on SMOV[37][Courtesy of Optical Society of America]
在传统光通信系统中,信息编码依赖于对光的强度、频率、位相和偏振的调制[38]. OV光束的OAM作为一个新的自由度,已成为FSO系统中编码和解码的新方法.所有OV在FSO通信中的应用都是基于前面所讨论的OV产生与检测方法.
类比数字通信的术语[39],可将OV在FSO系统中的应用机制归纳为轨道角动量键控(OAM shift keying, OAM-SK)及轨道角动量复用(OAM division multiplexing, OAM-DM)两类.这两种应用都已被大量研究,取得了丰硕的成果.对于OAM-SK,信息被编码加载到OV光束的OAM状态,如图8(a),照明光源保持不变,动态调制全息图加载数据.这里OAM状态是一种模式调制,其角色如同频移键控(frequency shift keying, FSK)中的频率. 基于OAM-SK,Gibson[10-11]实验上利用承载OAM的光束实现了自由空间信息传输. Jia等[37]利用旁瓣调制型OV也实现了数据的传输. 基于OAM-SK机制的优点是系统简单、光源数量少及可任意改变拓扑荷,而缺点是空间光调制器的刷新频率较低.对于OAM-DM,OAM状态是固定的,OV光束用做信息的载体,如同波分复用系统(wavelength division multiplexing, WDM)中波长的角色,如图8(b),全息图保持静止而多个光源通过调制加载数据.目前,关于FSO通信的研究中有大量基于OAM-DM的工作,包括复用/解复用方法的探索[40- 46]、OV信道的研究[12, 47]以及深空与近地光通信中的OAM复用研究[48-50],并实现了Gbit/s[51]和Tbit/s[52-54]的大容量通信. 另外,OV在光纤中的传输特性也有一些研究[55-57]. OAM-DM的优点在于高比特率、高光谱效率和低误码率(bit error ratio, BER),缺点在于系统复杂与成本高.
理论上OV光束的OAM有无限个本征态,对应无限个值,因此,OAM代表的比特数也没有上限. 保持光源不变,通过动态器件(如SLM)改变OAM的状态,类似于数字通信中的shift keying. 当OAM的作用是FSO通信中的数据编码调制时,可称为OAM shift keying(OAM-SK).如OAM的每个本征态可代表编码信号{000,001,010, 011,100,101,110, 111}中的1个. 进一步,当OAM的N个本征态用于通信时,每个态代表 log2 N个比特的信号.
2004年,Gibson等[10]报道用OAM传输和接收数据的自由空间光学链路(图9),实现15 m的互连和很高的信息安全,很难窃取和恢复传输的数据. 在这个系统中,OAM通过位相光栅产生和检测,传输单元由He-Ne激光器、加载CGH的SLM和望远光学系统组成. He-Ne 激光器输出的6 mm 直径准直光束入射到SLM,选择的拓扑荷l=-16, -12, -8, -4, +4, +8, +12, +16补偿了对准扰动,相对应的OV光束由一系列预先设计的计算全息图产生. 在接收端OV光束通过SLM上的二维叉形衍射光栅被CCD阵列检测.
图9 自由空间光通信实验装置(l=8)[10]
Fig.9 Optical setup of the free-space optical demonstration system(l=8)[10][Courtesy of Optical Society of America]
探测用位相全息图(二维叉形衍射光栅)由两个一维叉形光栅垂直叠加而成, 纵向位相光栅有4阶偏移, 横向有12阶偏移,图案有8个衍射级次. 为补偿对准和大气变化引起的扰动, 光束l=0用来修正系统的对准, 其他级次用来传输OAM状态[11].
探测用计算全息图将光衍射成3×3的9条光束,每一路都有不同的螺旋. 通过计算全息图后,拓扑荷为l'的光束减去叉形光栅的拓扑荷l, 解调的l=0平面波进行聚焦后通过小孔被CCD记录. 通过测量CCD图像上3×3的阵列,OAM状态可被解调,如图 10,传输的数据具有方向角参数l=-16, -12, -8, -4, 0, +4, +8, +12, +16. 通过测量CCD成像特定点的强度,可以分辨OAM.
图 10 OAM 传输数据的子集[10]
Fig.10 A subset of results from transmitting a data set using OAM[10][Courtesy of Optical Society of America]
在Gibson的系统中,SLM上加载的计算全息图将高斯光束依次调制成载有8个不同OAM状态的OV光束.同时,该系统也充分利用OV光束的高保密性,无需数学加密[58],详见第3节介绍.
2013年,Jia等[37]利用SMOV的优势,实验上实现一种新的基于OAM-SK机制的信息传输,如图 11. 在FSO通信中,数据被编码成复合型计算全息图(composite computer-generated hologram, CCGH),在接收端恢复成SMOV阵列解码. 通过测量主环与旁瓣的半径比值来探测SMOV,从而无需OAM常规检测中的严苛对准和位相匹配的要求.利用此方法传输了一幅180×180的灰度图像,其BER达 3.01×10-3.若运用前向纠错功能的信道编码技术,如卷积码或低密度奇偶校验码(low density parity check code, LDPC),误码率还可进一步降低4~6个数量级.
图 11 编码原理和过程以及实验结果[37]
Fig.11 Principle of the whole encoding and decoding process and some experiment results[37][Courtesy of Optical Society of America]
OAM为光波提供了一个新的维度,可以像波长一样进行复用和解复用.在OAM-DM机制中,OAM仅仅作为信息的载体,而数据信息是通过多路光源的开关调制来加载的.2007年,Lin等[41, 46]实验上利用不同的OAM状态实现自由空间的多路光信号复用. 复用/解复用通过SLM产生的CGH实现,如图 12.
图 12 基于OAM的自由空间多路光信号复用[41]
Fig.12 Multiplexing of multiple free space optical channels using OAM[41][Courtesy of Optical Society of America]
Celechovsky等[12,47]提出一种利用OAM作为信息载体的方法,如图 13. 在这个系统中,动态信息的编码通过开关从不同角度入射到静态位相片上的光束. 入射的平面波光束被准直并转化为OV,类似方法也被他们的另一篇文章[59]报道.根据入射光束倾斜角度不同的拓扑荷被加载在不同的OV模式上. 沿z轴传输的OV光束同轴的复振幅叠加为
U=∑Mm=1amum(r,z)exp(ilmφ)(3)
其中, M、 lm和um分别为总的模式数、拓扑荷和OV光束的空间轮廓; r和φ代表柱坐标; am的值为0或1,代表实际的信息比特,由入射光束开关控制.
图 13 OV信息通道的光学原理[47]
Fig.13 Optical scheme of the vortex information channel[47][Courtesy of IOP Publishing Ltd. and Deutsche Physikalische Gesellschaft]
在接收端,复合OV承载的信息通过特殊设计的位相模板解调出来,如图 14,解调的位相板将入射的OV光束分成N条沿不同方向传输的光束,倾斜的光束在传输的同时引入exp(-ilnφ)的位相项.
图 14 利用位相模板检测和编码OV光束[47]
Fig.14 Detection and decoding a single vortex beam using phase mask[47][Courtesy of IOP Publishing Ltd. and Deutsche Physikalische Gesellschaft]
在传播方向,光束具有exp[i(lm-ln)φ]的螺旋波前,如果在光束出射方向满足(lm-ln)=0, 则螺旋位相exp(ilmφ)可被补偿成近似平面波前.经过Fourier透镜聚焦,在(lm-ln)=0的光束方向可观察到高强度的同轴光点,而在其他方向仍将观察到代表螺旋位相的圆环,如图 14.根据这一方法,信息编码通过一系列的OV振幅权重展现,实验结果如图 15.信号序列通过计算机动态加载到激光器上,并通过强度探测在焦平面上解码,在探测端可以用针孔滤掉其他OV亮环的影响.
图 15 合成OV场传输4比特信息的实验结果[47]
Fig.15 Experimental results demonstrating transfer of four bits of information by means of the composed vortex field[47][Courtesy of IOP Publishing Ltd. and Deutsche Physikalische Gesellschaft]
上述工作中,只有4路OAM信号的复用.2010年,Zhang等[43- 44]用二维达曼旋涡光栅拓展到大于16路,这种光栅可均匀各衍射级次的能量分布,解决传统OV光栅在高阶级次效率偏低的问题,增加了OV光栅的探测范围.如5 × 5的Dammann OV光栅可检测25路OV光束,拓扑荷-12到+12,如图 16(a). 这种Dammann OV光栅有很大的应用前景,包括在自由空间光通信系统甚至微波通信中的发射/接收和复用/解复用等. 2011年,Wang等[42]通过遗传算法产生叠加的OV,实现高通量的OV复用. 在发射端,遗传算法得到的位相模板产生叠加的OV,如图 17(a). 在接收端,达曼光学旋涡光栅被用来分析复合了多个OV光束,如图 17(b).16个态中{-1,-2,-7,+5,+7}缺失代表16 bit信号1101110011110101.
图 16 OV探测使用5 × 5 达曼旋涡光栅的实验结果[43]
Fig.16 OV detection results using the 5×5 Dammann vortex grating[43][Courtesy of Optical Society of America]
图 17 遗传算法产生叠加的OV实现高通量的OV复用[42]
Fig.17 Superimposed OVs generated by a genetic algorithm to achieve high-volume OV multiplexing[42][Courtesy of Optical Society of America]
2010年,Djordjevic等[60]结合LDPC研究OAM在深空和近地条件下的复用/解复用[48-50],结果表明,在保持合理的系统成本和功耗情况下,OAM能满足未来星际间高宽带通信的需求. 由于OAM的本征态是正交的,用全息图产生和分析不同的OAM状态能实现高光子效率的深空和近地光通信系统. 通过增加OAM状态的数量,系统的数据速率能急剧增加,为未来应用大幅度提供容量. 在其工作中,体全息图[50]和多模光纤[48]用来调制和解调OAM状态. 由式(1)可知,在固定的p值下,不同OAM状态相互正交,可作为OAM复用的基本方式. 如图 18(a),基于LDPC编码的OAM传输机制可在强大气扰动区域实现100 Gbit/s的光传输,每路信号10 Gbit/s. 这个系统基于多维(N-dimensional)OAM编码调制,N=2K+1维对应2K+1个OAM状态. 图 18(b)和(c)是发射和接收框图. 2K+1路独立的数据加载在高斯光束上入射到一系列体全息图上,每个全息图对应2K+1个OAM状态中的一个. 在接收端,同样的一组体全息图用来分开不同的OAM状态. LDPC具有高效的前向纠错(forward error correction, FEC)功能, 能降低OAM光束在大气扰动中传输的误码率,提高系统性能.
图 18 多维LDPC编码的 OAM 传输系统原理图[48]
Fig.18 Multidimensional LDPC-coded OAM transmission scheme[48][Courtesy of Optical Society of America]
2011年,Martelli等[51]通过道威棱镜干涉仪演示了1 550 nm下,基于OAM-DM机制的光通信系统.在其实验系统中,两路OAM光束l=0和l=1, 各自携带1.25 Gbit/s强度的调制信号,复用得到2.5 Gbit/s的速率. 2011年,Djordjevic等[48]用8路OAM状态复用在深空与近地实现了100 Gbit/s速率的通信.
2012年,Wang等[52-54]实现了1.37 Tbit/s的OAM-DM自由空间光通信,其原理如图 19.4路承载信息的OAM光束与两种偏振态一起复用/解复用(中间). 对于复用,环形强度分布的OAM光束(左边, 第3列)被空间复用. 对于解复用,一个OAM光束被转换成中心高强度的光点(右边,第2列),
图 19 OAM-DM通信系统的概念和原理[52]
Fig.19 Concept and principle of the OAM-DM system[52][Courtesy of Macmillan Publishers Limited]
通过针孔与其它环形的OAM光束分离(右边,第3列).其中,除了OAM光束复用,偏振复用也被用于进一步提高FSO系统的容量和频谱利用率,在该系统中,通过4路OAM状态和两个偏振态,通信容量扩充了8倍.OAM状态的产生和检测均通过对应着不同拓扑荷的螺旋位相片实现. 在发射端,42.8 Gbit/s×4的16-QAM(quadrature amplitude modulation)信号被加载.因此,总速率为1 369.6(42.8×4×4×2)Gbit/s(16-QAM每个符号对应4 bit、4路OAM和2个偏振态),光谱效率为25.6 bit·s-1·Hz-1(50 GHz grid).图 20为不带偏振时的实验和模拟结果,观察到的OV光束强度分别为OAM-8(a1)、OAM-10(a2)、OAM+12(a3)、OAM+14(a4)和它们的复用(a5). b1~b4为a1~a4所对应测量OAM 光束与高斯光束的相干图.c1为解复用的OAM-8光束,无其他OAM光束串扰. c2为串扰和解复用(OAM-8 光束关闭, 其他OAM 光束打开). c3为其他光束打开情况下OAM-8光束的解复用. d1~d5、e1~e4及f1~f3分别为与 a1~a5、b1~b4及c1~c3相对应的模拟结果.图 21为带两个偏振态的结果,其中,a1~a5, b1~b4 对应于图 20.
通过空间复用两组同心OAM,系统容量可扩充到2.56 Tbit/s,光谱效率95.7 bit·s-1·Hz-1,该工作也实现了OAM之间100 Gbit/s DQPSK(differential quadrature reference phase shift keying)信号的数据交换.
图 20 四种OAM状态{-14, -8, +10, +12}复用/解复用的实验和模拟结果[52]
Fig.20 The Experimental and simulation results of multiplexing/demultiplexing of four OAM states with topological charges {-14, -8, +10, +12}[52]
图 21 两张偏振态拓扑荷{+4, +8, -8, +16}的OAM-DM实验结果[52]
Fig.21 The experimental results of OAM-DM with two polarizations in which l from {+4, +8, -8, +16}[52][Courtesy of Macmillan Publishers Limited]
数字通信中,普遍采用一些参数来衡量系统性能,如比特率和光谱效率显示了系统的效率,BER显示了系统的可靠性,本节采用这些参数衡量使用OV的FSO系统性能,评述OAM在信息安全方面的优势.
为测量信息的传输效率,常使用比特率Rb(单位:bit/s)和字符率Rs(单位:symbol/s).M-ary调制中,1个字符可以代表log2 M个比特,其关系为[39]
Rb=Rs×log2 M(4)
目前,最高的速率分别是具有1.37 Tbit/s、25.6 bit·s-1·Hz-1(50 GHz grid)和2.56 Tbit/s, 95.7 bit·s-1·Hz-1(25 GHz grid)的OAM-DM[52]. 这表明OAM作为信息载体,有提高FSO通信系统容量和光谱效率的能力.
误码率是一个重要参数,它表征了系统中误码数占总码数的比率,截止目前,有报道在信噪比为10 dB时, BER达到较低的2×10-8[50].FSO通信系统的BER主要与光学信噪比(optical signal-to-noise ratio,OSNR)有关,取决于大气扰动和OAM信道串扰等因素.
图 22 LG01光束(间隔π /4的位相等高线)和同一光束引入Kolmogorov扰动后的强度和位相分布[61]
Fig.22 Example intensity and phase map(π /4-spaced contours)of a LG01 beam(left)and the same beam with aberration caused by propagation through Kolmogorov Turbulence(right)[61][Courtesy of the American Physical Society]
考虑到大气扰动,2005年Paterson[61]利用Kolmogorov模型研究了非相干效应对OAM单光子通信的影响(如图 22),指出即使是微弱扰动,OAM状态对位相扰动的敏感也是限制OV在FSO系统中应用的重要因素[61]. 2008年,Gbur等[62]研究了OV光束在大气扰动传播中拓扑荷的保持特性,证明了拓扑荷的鲁棒特性,可以在弱扰动下较远距离传输,如图 23.其中,C2n是Komogorov模型中的折射率结构参数; w0=2 cm; λ=1.55 μm; 探测器半径为4 cm; 阴影区域表示拓扑荷的标准偏差.该结果显示在FSO通信中使用拓扑荷作为信息的载体是可行的.
图 23 模拟的l=1, p=1的LG光束在不同扰动下的平均拓扑荷[62]
Fig.23 Simulation of the average toplogical charge for a LG beam of order l=1, p=1, for various turbulence strengths[62][Courtesy of Optical Society of America]
当OAM状态作为信息的载体或通道时,扰动还会引起衰减和串扰. 2008年,Anguita等[63]数值分析了大气扰动对FSO系统中的总容量及OAM复用串扰的影响. 研究发现,总的传输容量随扰动的增加而减少,较弱扰动区域OAM复用的FSO系统具有更低的BER,如弱扰动C2n≤10-15 m-2/3, 系统在低的PTx/N0(PTx为传输功率; N0为噪声功率)要求下就能得到很低的BER,当OSNR=15 dB 时,弱扰动C2n≤10-15 m-2/3的误码率比强扰动C2n=3×10-14 m-2/3条件下低5~8个数量级.
另外,湍流也会影响FSO通信系统中每个OAM信道的容量[64- 65],如图 24,增强的湍流降低了信道容量.然而,湍流的影响可通过增加OAM状态之间的间距来解决.这些成果被用于高维量子密钥分布(quantum key distribution, QKD)系统中,提供了全新的信息安全手段[66],任何对量子信道的窃听都可通过观测到的传输噪声和量子误码率而被量化[67].
图 24 Kolmogorov湍流对OAM通信容量的影响,OAM通道数为N=3, 5, 7, 9 和 11,使用偏振模式的容量以点划线的方式画出作为比较[65]
Fig.24 Influence of Kolmogorov turbulence on the channel capacity of an OAM communication channel for a system dimensionality of N=3, 5, 7, 9 and 11.
同时,自适应光学[68],例如Shack-Hartmann波前传感法[69-70]和Gerchberg-Saxton位相校正法[71]能纠正大气湍流造成的像差[72-73].由于自适应光学要求复杂的系统和算法,数字通信中的前向纠错(forward error correction, FEC)信道编码也是降低FSO系统中BER的一个好选择.对于大气湍流,一些FEC编码十分有效,如LDPC[49-50, 60]、卷积码(convolutional coding)[74]及Turbo码[75]等.通过FEC编码,使用OAM的FSO系统在湍流中的BER可降低4~6个数量级.例如,图 25给出一个通过LDPC降低BER的实例,其中,σR是Rytov 变量,与C2n成正比.
图 25 弱(σR=0.3), 中(σR=1)和强(σR=2)湍流区域的 FSO系统中LDPC(4 320,3 242)编码OAM 调制的BER[63]
Fig.25 The BER performance of LDPC(4 320, 3 242)-coded OAM modulation based FSO system in weak(σR =0.3), medium(σR =1), and strong (σR =2)turbulence regime[63][Courtesy of Optical Society of America]
众所周知,不确定原理是限制测量物理量准确值的基本原理[76].对于OV,不确定原理表现为角向位置和角动量的关系[58, 77-78]
ΔφΔl=1/2|1-2πP(π)|(5)
其中,φ为角度; l为拓扑荷,与角动量相关; P(θ)是选择的角度边界上的角向概率密度.两种不确定性关系如图 26.
图 26 两种不确定原理的形式[58]
Fig.26 Two forms of uncertainty principle[58][Courtesy of IOP Publishing Ltd. and Deutsche Physikalische Gesellschaft]
因为光束在大气散射后可能被其他接收器拦截,传统自由空间通信的保密性依赖于数据的数学加密[38-39]. 由于OAM角向位置与角动量的不确定性,使得基于OAM的数据传输具有天然的安全性,即使在传输路径上放置窃听探测器,拓扑荷色散也将使OAM信息难以被测量,如图 27[10],左边是光束在遮挡物后的图像,测量得到的 l值(深色)与光阑函数P(φ)的能量光谱(浅色)一致. OAM不确定性原理在量子信息中也有重要的应用[79].
图 27 LG01光束光路中不同遮挡物下P(l)的不确定性[10]
Fig.27 Spread or uncertainty in the measured values P(l) for various apertures inserted into the path of an LG01 beam[10][Courtesy of Optical Society of America]
本文通过对OV产生、探测和应用的综述研究发现,OAM在键控和复用两种应用机制上,对改进现有FSO系统的性能均有很大潜力.已有的几种克服湍流问题的方法,如自适应光学和前向纠错信道编码,对于短距离通信(~km)湍流的影响可以容忍和补偿.承载信息的OV光束在FSO系统中与WDM和偏振复用结合,可以实现高传输速率,特别是在深空和近地,它能结合LDPC编码和 MIMO技术来解决大气湍流的问题.
除了自由空间光通信,另一个具有发展潜力的领域是光纤中的OV光束传输[55-57],尽管模间耦合限制了OV在光纤中传输的稳定性,最近一些特殊设计的高折射率环带光纤仍然具有不错的效果[80-81].来基于光纤的OAM复用数据传输可能进一步提高光纤网络的容量.另外,集成的OV光束发射器[22, 82],可快速调制不同OAM状态,如可调谐激光器可达到40 GHz,这也为量子通信中芯片之间、FSO系统乃至射频通信OAM信道的建立提供了可能[83].
总之,OAM提供了一种对光的全新理解,引领人们对光强度和位相调制展开进一步深入探索.虽然光学旋涡是否能在未来几十年最终实现革命性应用(如未来10年内将互联网的带宽提高到现有水平的100倍[84])尚待探索与验证,但毫无疑问,基于光学旋涡的科学研究是未来光学领域的一个重要方向.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
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