如何在有限的頻譜、空、能耗、成本等資源上滿(mǎn)足通信容量幾個(gè)數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)的需求？以中山大學(xué)余思源教授為首席科學(xué)家的研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)光子軌道角動(dòng)量未被利用的電磁波參數(shù)維度，開(kāi)發(fā)新的電磁波通信容量資源，并研究充分利用的方法。

在高速信息社會(huì)的背景下，信息系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大是社會(huì)發(fā)展的根本需求。在國(guó)家973計(jì)劃“基于光子軌道角動(dòng)量的新型通信系統(tǒng)基礎(chǔ)研究”的資助下，中山大學(xué)、清華大學(xué)、烽火通信技術(shù)有限公司、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、北京理工大學(xué)的研究人員針對(duì)光子軌道角動(dòng)量(OAM)，一個(gè)未使用的電磁波參數(shù)維(也稱(chēng)“渦旋光”)，開(kāi)發(fā)了新的電磁波通信容量資源，并研究了其充分利用的方法， 旨在大大提高通信系統(tǒng)的頻譜效率和容量，滿(mǎn)足未來(lái)10-30年通信容量增加2-3個(gè)數(shù)量級(jí)的需求，解決通信技術(shù)發(fā)展面臨的根本挑戰(zhàn)。

以探索利用電磁波的軌道角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)超大容量通信的原理和方法為主題，研究范圍涵蓋了OAM通信系統(tǒng)的三個(gè)主要環(huán)節(jié):發(fā)射、發(fā)射和接收，同時(shí)在兩個(gè)最重要的通信波段——光波和射頻微波進(jìn)行研究。

在傳輸端，研究了集成無(wú)源和有源OAM信號(hào)傳輸和復(fù)用的關(guān)鍵器件，在傳輸鏈路中，研究了OAM信號(hào)在光纖和自由空之間的傳輸。

在接收端，研究了OAM信號(hào)檢測(cè)、接收和解復(fù)用的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)。

探索發(fā)射的“源頭”

在無(wú)源集成OAM通信器件的研究中，研究團(tuán)隊(duì)在硅基螺旋OAM發(fā)射機(jī)和氮化硅集成OAM發(fā)射機(jī)方面取得突破，提出了基于螺旋變換的OAM解復(fù)用方案。

由于衍射效應(yīng)，研究小組發(fā)明的光柵微環(huán)發(fā)射器產(chǎn)生的渦旋光束能量以較大的發(fā)散角分布，不利于高效的光纖耦合。通過(guò)打破微環(huán)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，提出了一種螺旋阿基米德曲線(xiàn)波導(dǎo)光柵，可以有效改善渦旋光束的方向性，提高光纖的耦合效率。

基于微環(huán)腔OAM發(fā)射器，首次論證了微環(huán)波導(dǎo)倏逝區(qū)的異常橫向自旋角動(dòng)量與自由空之間射入渦旋光束的軌道角動(dòng)量之間的相互作用，論證了自旋單向鎖定耦合效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)了一種新的光和物質(zhì)的動(dòng)量傳遞機(jī)制，拓展了自旋軌道相互作用的產(chǎn)生途徑，為整個(gè)角動(dòng)量域的偏振/OAM多維光學(xué)操控和量子信息處理系統(tǒng)提供了原型

研究小組還提出了一種新的OAM模式解復(fù)用的光學(xué)坐標(biāo)變換方案(螺旋變換)，從原理上解決了原對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換方案固有的相鄰模式串?dāng)_問(wèn)題。在這種新的光學(xué)變換框架下，原始的對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換可以視為特例，說(shuō)明這種螺旋變換在理論上更具普適性。

在有源集成聲光調(diào)制器的研究中，實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)通信波段電注入聲光調(diào)制器激光器。設(shè)計(jì)了一種頂柵結(jié)構(gòu)的微環(huán)腔聲光調(diào)制器發(fā)射體結(jié)構(gòu)，使得分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器和聲光調(diào)制器發(fā)射體可以單片集成在磷化銦襯底上，輸出高模純度的聲光調(diào)制器光束。這種新型OAM激光器在未來(lái)大容量光纖通信和量子通信中具有良好的應(yīng)用前景。

突破傳播的“極限”

在新型光纖的開(kāi)發(fā)方面，研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了高性能漸變折射率單環(huán)芯結(jié)構(gòu)的OAM光纖，實(shí)現(xiàn)了高階模組(l = 5個(gè)5階)和低模塊間串?dāng)_(23 dB/km)的漸變折射率環(huán)芯光纖，支持0.34 dB/km的低損耗傳輸?shù)腛AM模式，性能處于世界領(lǐng)先地位。還實(shí)現(xiàn)了支持96種OAM模式傳輸?shù)亩嗪私Y(jié)構(gòu)OAM光纖。

系統(tǒng)研究了多模光纖中光學(xué)渦旋模式的特性。首次實(shí)驗(yàn)報(bào)道了2.6 km傳統(tǒng)多模光纖光渦旋復(fù)用通信，并將軌道角動(dòng)量光渦旋進(jìn)一步擴(kuò)展為結(jié)構(gòu)光。首次在千米級(jí)直接使用光纖矢量本征模復(fù)用通信的實(shí)驗(yàn)報(bào)告?；谏鲜鲎灾餮邪l(fā)的高性能環(huán)芯光纖，針對(duì)低成本的光互連應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了3個(gè)1 km距離的渦旋光模組和2個(gè)18 km距離的渦旋光模組復(fù)用的單波長(zhǎng)強(qiáng)度調(diào)制-直接探測(cè)MIMO傳輸，復(fù)用模數(shù)、容量距離積和頻譜效率均為目前軌道角動(dòng)量光纖通信的世界紀(jì)錄。研究人員還初步演示了50公里長(zhǎng)的光學(xué)渦旋多路傳輸。

OAM光束在自由空之間行進(jìn)時(shí)會(huì)受到大氣湍流的影響，導(dǎo)致不同軌道角動(dòng)量模式之間的相位畸變和串?dāng)_。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了OAM光束的自適應(yīng)光學(xué)畸變補(bǔ)償技術(shù)，并分別利用探針和非探針光束技術(shù)開(kāi)發(fā)了各種補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)了OAM光束的自適應(yīng)光學(xué)畸變補(bǔ)償。

優(yōu)化接收的“眼睛”

研究團(tuán)隊(duì)采用了獨(dú)特的射頻渦旋波束生成方法，實(shí)現(xiàn)了單天線(xiàn)和多軌道角動(dòng)量模式的發(fā)射、接收和復(fù)用。演示了10 GHz微波和60 GHz毫米波波段渦旋波的復(fù)用傳輸、解復(fù)用接收和通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了基于32 QAM傳輸?shù)?x4 OAM移動(dòng)設(shè)備管理(MDM)通信系統(tǒng)，大大降低了接收的計(jì)算復(fù)雜度。此外，從原理和實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了OAM多輸入多輸出天線(xiàn)陣相對(duì)于傳統(tǒng)多輸入多輸出天線(xiàn)陣的優(yōu)勢(shì)，為充分利用射頻軌道角動(dòng)量維度資源提供了原則和手段。

在充分了解OAM通信規(guī)則、驗(yàn)證科學(xué)原理、論證其應(yīng)用潛力的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行OAM器件和高性能環(huán)芯光纖的進(jìn)一步優(yōu)化，繼續(xù)面對(duì)長(zhǎng)距離通信和短距離互聯(lián)兩大應(yīng)用場(chǎng)景，努力刷新OAM光纖和射頻通信的容量密度、容量距離積和頻譜效率記錄，著手解決工程問(wèn)題，為渦旋電磁束軌道角動(dòng)量通信技術(shù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

此微信圖文數(shù)據(jù)來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)或其他官方號(hào)，版權(quán)歸原作者所有，僅供參考！