自由空间光通信已经在通信领域有了飞速的发展，光波的振幅、相位、偏振、波长和时间维度已经被广泛利用来提高光通信容量。除了这些传统的复用技术，轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）光束可以作为载波进行多路复用，从而提高系统的通信容量和频谱效率。目前，OAM通信研究已在国际上引起广泛关注。

武汉光电国家实验室（筹）王健教授领衔的多维光子学实验室（MDPL：Multi-Dimensional Photonics Laboratory）一直致力于自由空间OAM光通信研究，在这个领域取得了系列进展。

OAM通信技术需要对光波的强度、相位、偏振等多个物理维度进行调控。王健教授课题组针对现有技术不足，探索研究新型空间光调制技术，并且基于这种新型技术实现OAM广播和复用。在王健教授指导下，博士生刘俊利用偏振敏感的空间光调制器（SLM）辅助波片等光学元件设计了一个新型装置，成功实现了偏振不敏感的空间光调制，并利用同样的装置实现了偏振不敏感的空间光解调。在此基础上，通过多个同样装置的结合，搭建并实现了偏振无关自由空间OAM广播与复用通信系统。该工作以论文“Polarization-insensitive PAM-4-carrying free-space orbital angular momentum (OAM) communications” 发表在Optics Express (Vol. 24, PP. 4258, 2016)上。此外，随着基于OAM的空分复用系统地不断发展，空分复用系统中的信息交换也引起广泛关注。类似于波分复用系统中的波长选择开关，博士生刘俊利用一个空间光调制器（SLM）在基于OAM的空分复用系统中实现模式选择和空间选择的开关，实现了包括OAM模式光交换，空间光交换以及OAM模式和空间交换。该工作以论文“Demonstration of reconfigurable joint orbital angular momentum mode and space switching” 发表在Scientific Reports (Vol. 6, PP. 37331, 2016)上。

图1 (a) 偏振无关光通信利用的光子维度的原理图 (b) N×N可重构OAM模式和空间光开关的原理图。

对于自由空间轨道角动量OAM光通信，大气湍流（Atmosphere Turbulence）造成的信号劣化是一个关键的制约因素。大气湍流会引起空气折射率波动，造成光束强度起伏（光强闪烁）、相位扰动、光束扩展和漂移、到达角起伏等不良结果，影响通信系统的稳定性和可靠性。OAM光束在自由空间共轴复用传输依靠正交的螺旋相位得以区分，而大气湍流会破坏光束的螺旋相位，这不仅会引起功率损耗，还会造成功率泄露、引起严重的模式串扰。为了减小大气湍流效应对自由空间OAM光通信的影响，提高通信系统性能、必须采取相应的大气湍流补偿设施。在王健教授的指导下，博士生李树辉等人利用自适应光学技术成功实现了对OAM广播通信系统的大气湍流补偿。实验展示了4通道和8通道OAM广播系统的大气湍流校正，实验结果表明自适应校正可以有效降低广播信道的功率抖动、抑制信道串扰、提升BER性能。相关成果以论文“Compensation of a distorted N-fold orbital angular momentum multicasting link using adaptive optics” 发表在Optics Letters (Vol. 41, PP. 1482-1485, 2016)。 此外，博士生陈诗和李树辉利用自适应光学技术成功实现对20-Gbit/s的高速贝塞尔光束编码解码通信系统的大气湍流补偿。相关成果以论文“Demonstration of 20-Gbit/s High-Speed Bessel Beam Encoding/Decoding Link with Adaptive Turbulence Compensation” 发表在Optics Letters (Vol. 41, PP. 4680-4683, 2016)上。

图2 (a) OAM广播通信系统大气湍流补偿原理。 (b) 贝塞尔光束编码解码通信系统大气湍流补偿原理。

另外，王健教授受邀Photonics Research(Vol. 4, PP. B14-B28, 2016)详细论述光学旋涡在通信中的进展。光学旋涡包括偏振涡旋（即矢量光束）和相位涡旋，文章详细报道了光通信中利用光学涡旋的最新进展。首先，讲述通信中利用光学旋涡进行调制和复用的基本概念以及光学旋涡产生和复用/解复用的关键技术。其次，报道了自由空间和光纤中利用光学旋涡通信的工作。最后，讨论了未来光通信中利用光学旋涡的挑战和机遇。

图3 (a) 偏振涡旋和相位涡旋的场分布示意图 (b)在调制和复用技术中光子的物理维度和正交态的示意图。

以上工作得到了国家973计划课题（2014CB340004）、国家自然科学基金(11274131, 11574001, 61222502)、新世纪优秀人才计划(NCET-11-0182)和武汉科技计划项目(2014070404010201)等项目资助。

文章链接：

[1] Jun Liu and Jian Wang*, “Polarization-insensitive PAM-4-carrying free-space orbital angular momentum (OAM) communications,” Optics Express 24(4), 4258-4269 (2016).

https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-24-4-4258

[2] Jun Liu and Jian Wang*, “Demonstration of reconfigurable joint orbital angular momentum mode and space switching,” Scientific Reports 6, 37331 (2016).

http://www.nature.com/articles/srep37331

[3] Shuhui Li and Jian Wang *, “Compensation of a distorted N-fold orbital angular momentum multicasting link using adaptive optics,” Optics Letters 41(7), 1482-1485 (2016).

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-41-7-1482

[4] Shi Chen, Shuhui Li, Yifan Zhao, Jun Liu, Long Zhu, Andong Wang, Jing Du, Li Shen, and Jian Wang*, “Demonstration of 20-Gbit/s High-Speed Bessel Beam Encoding/Decoding Link with Adaptive Turbulence Compensation,” Opt. Letters 41 (20), 4680-4683 (2016).

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-41-20-4680

[5] Jian Wang, “Advances in communications using optical vortices,” Photonics Research 4(5), B14-B28 (2016).

https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-4-5-B14