撰稿 | 清華大學(xué)先進(jìn)激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)

從古時(shí)的烽火臺到現(xiàn)代化的信息高速公路，光的強(qiáng)度、頻率、偏振、相位等多個(gè)物理維度陸續(xù)被開發(fā)作為信息通道，推動(dòng)通信容量的一次次跨越式提升。

面向 5G、6G 通信技術(shù)革命，近年來對于光場空間結(jié)構(gòu)的開發(fā)，為應(yīng)對無止境增長的通信帶寬需求提供了新思路：通過大量獨(dú)立、正交的空間模式進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。其中，攜帶光學(xué)軌道角動(dòng)量（OAM）的渦旋光帶來了最大的想象空間：理論上能夠提供無限多的正交信息通道，從而支撐無限大的數(shù)據(jù)量。

然而，目前絕大多數(shù)的渦旋光通信應(yīng)用示范研究中，渦旋光的通道數(shù)被嚴(yán)重限制在 20 個(gè)以內(nèi)。這源于渦旋光的一大瓶頸問題：傳統(tǒng)渦旋光的發(fā)散角隨著通道數(shù)的增加（階數(shù)增加）而迅速上升，意味著接收端的光學(xué)口徑急劇擴(kuò)大，例如第 99 階模式所需接收面積為第 1 階的 50 倍（如圖1所示），伴隨而來的規(guī)模、造價(jià)上的飛漲都是實(shí)際通信系統(tǒng)難以承受的，因而極大地限制了渦旋光對通信帶寬的實(shí)際提升效果。

圖1：傳統(tǒng)渦旋光通信的瓶頸問題之一

最近，這一限制被突破。來自清華大學(xué)精密儀器系、英國南安普頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了新型的光通信載波模式——"超自由度”結(jié)構(gòu)光（如圖2a、2b所示）。

該研究成果以“Divergence-degenerate spatial multiplexing towards future ultrahigh capacity, low error-rate optical communications”為題在線發(fā)表于 Light: Science & Applications。通訊作者為清華大學(xué)精密儀器系、光子測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室付星副教授、柳強(qiáng)教授，第一作者為清華大學(xué)博士生萬震松。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委的支持。

該模式族具有發(fā)散角的 20 重簡并特性，即多達(dá) 20 個(gè)正交模式共享同一個(gè)發(fā)散角（見圖2c插圖展示的 20 個(gè)圖樣），使得前 100 階模式的發(fā)散角僅變化 18%（作為對比，傳統(tǒng)渦旋光變化 900%，如圖2c所示），從而將自由光通信可復(fù)用的空間通道數(shù)一舉提升了 2 個(gè)數(shù)量級（如圖2d所示）。

圖2：”超自由度”結(jié)構(gòu)光示意圖：（a）三個(gè)獨(dú)立自由度；（b）正交性分析；(c) 與傳統(tǒng)模式的發(fā)散角對比（前100階）；(d) 與傳統(tǒng)模式的最大傳輸信道數(shù)目對比（系統(tǒng)規(guī)模越大，優(yōu)勢越明顯）。

該工作中，研究者巧妙利用了“超自由度”結(jié)構(gòu)光的波-跡二象性，即光的波包與幾何軌跡相互耦合，從而在傳統(tǒng)渦旋光的自由度（中心處OAM）之外，產(chǎn)生了可顯著增強(qiáng)發(fā)散簡并的全新自由度（圖2a）：

幾何軌跡處的子光束OAM、相干態(tài)相位（光線簇方位）。

研究者首次驗(yàn)證了多個(gè)自由度作為信息傳輸通道的獨(dú)立、正交性（圖2b），并解決了“超自由度”結(jié)構(gòu)光的高效模式識別、高維信息解碼的實(shí)用化難題。

同時(shí)，研究者還揭示了新型載波在發(fā)散簡并之外的另一個(gè)突出優(yōu)勢——大幅度抑制兩類誤碼：

1）中心偏移導(dǎo)致誤碼（信號“1”誤為“0”），如圖3、圖4a所示；

圖3：新型結(jié)構(gòu)光保持光強(qiáng)的中心對稱性，顯著抑制中心偏移導(dǎo)致的誤碼（與傳統(tǒng)渦旋光對比）

2）背景噪聲導(dǎo)致誤碼（信號“0”誤為“1”），如圖4b所示。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了清晰的圖像傳輸，重建質(zhì)量顯著優(yōu)于傳統(tǒng)渦旋光束，如圖5所示。

圖4：新型結(jié)構(gòu)光（三自由度）與傳統(tǒng)渦旋光（階數(shù)間隔分別為1,2,3）的誤碼率對比：(a) 中心偏移導(dǎo)致誤碼；（b）背景噪聲導(dǎo)致誤碼

圖5：新型結(jié)構(gòu)光（三自由度）與傳統(tǒng)渦旋光（階數(shù)間隔分別為1,2,3）的圖像傳輸質(zhì)量對比（綠色為失真像素，ER為誤碼率） 

本文針對渦旋光通信應(yīng)用的痛點(diǎn)，提出了多重發(fā)散簡并的光通信載波技術(shù)，可與偏振復(fù)用、波分復(fù)用等現(xiàn)有技術(shù)兼容，為下一代密集編碼、超大容量光通信網(wǎng)絡(luò)提供潛在的解決方案。同時(shí)，該研究思路可推廣到其他類型的波-跡結(jié)構(gòu)光、渦旋光模式族，解鎖更為豐富的空間自由度，實(shí)現(xiàn)更多重的發(fā)散簡并，將渦旋光的巨大潛能進(jìn)一步釋放。此外，新型光束多自由度之間的內(nèi)稟不可分性，或?qū)⒃诹孔油ㄐ?、量子?jì)算等領(lǐng)域獲得新的突破。

| 論文信息 |

Wan, Z., Shen, Y., Wang, Z. et al. Divergence-degenerate spatial multiplexing towards future ultrahigh capacity, low error-rate optical communications. Light Sci Appl 11, 144 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00834-4

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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