Adv. Photon. | 等传播涡旋光大幅提升通信容量和抗湍流能力

Advanced Photonics 2024年第3期封面文章：

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韩国浦项科技大学Junsuk Rho教授评论道：“此项工作是光场调控领域的一项重要进展，克服了传统涡旋光束的局限性。等传播涡旋（IPVs）被设计为在不同的光学角动量模式下保持恒定的尺寸和扩散范围，显著提高了其在自由空间光通信中的效率和实用性。作者通过理论阐述和实验结果，证实了等传播涡旋在传输动力学、障碍恢复能力以及在大气湍流中减少的模式散射方面的优越性。这些特性预示着等传播涡旋将成为未来高容量光通信网络的有力解决方案，并且有望被广泛应用于图像处理、显微镜技术、计量学、量子信息处理以及光-物质相互作用研究等多个领域。”（Iso-propagation vortices: a breakthrough in optical communication technology）

背景介绍

从古代的烽火台到现代的信息高速公路，光的物理属性，如强度、频率、偏振和相位，已经历数千年的开发，逐步成为信息传递的重要通道，显著推动了通信容量的飞跃式增长。面对5G与6G技术革命，科学家们持续深入探索光场空间结构的新应用，以应对不断增长的通信带宽需求。尤其是具有光学轨道角动量（OAM）的涡旋光，其理论上能提供无限的正交通道，从而具有巨大的数据传输潜力。然而，涡旋光存在一个显著瓶颈：由衍射效应引起的，传统涡旋光的传输尺寸及发散角会随OAM阶数的增大而显著增加。此问题要求接收端不断扩大以适应更多通道，导致系统复杂度和成本急剧增加，这对实际通信系统构成了巨大挑战，并严重限制了涡旋光提升通信带宽的实际效果。

为克服传统涡旋光束的OAM依赖传输行为，南京大学的丁剑平教授和王慧田教授团队最近提出了一种新型光通信涡旋载波模式，称为等传播涡旋（Iso-propagation vortices, IPVs）。它展现了与OAM阶数无关的传输行为（传输尺寸和发散角），有效解决了传统涡旋光束的限制。与图1a中由于光束尺寸和发散角过大而难以适应实际场景的高阶传统涡旋不同，图1b所示的等传播涡旋，无论其OAM阶数如何变化，都保持一致的光束尺寸和发散角，使其能被有限孔径的接收器同步、高效地接收。

研究显示，使用等传播涡旋作为自由空间光通信中的复用载波，相比现有主流空分复用技术，能实现300%至808%的通信容量提升。进一步的研究揭示，等传播涡旋不仅具有较低的光束品质因子、能自发重建，而且对大气湍流具有更强的抵抗力，这不仅提升了自由空间光通信的容量，还增强了连接的鲁棒性。该成果以“Iso-propagation vortices with OAM-independent size and divergence toward future faster optical communications”为题发表在Advanced Photonics 2024年第3期，并被选为第3期封面。

图1 (a)高阶的传统涡旋由于传输尺寸和发散角过大而难以被有限尺寸的接收器接收；(b)任意阶的等传输涡旋都具有相同的传输尺寸和发散角，可以被有限尺寸接收器高效接收

1. 等传播特性的实现 

为解决涡旋光束传输行为与OAM阶数高度相关的问题，前人提出了“完美涡旋”概念，即具有与OAM无关的涡旋尺寸。然而，完美涡旋仅在单一横向平面上展示与OAM无关的尺寸；由于发散角仍高度依赖OAM，完美涡旋一旦离开该平面，此“完美”属性即失效（图2a-c）。因此，这些涡旋更恰当地被称为“二维完美涡旋”。 在本项研究中，通过对传统的拉盖尔-高斯模式进行精细调整和径向指数配置，研究团队成功地实现了等传输涡旋光束，其传输尺寸和发散角均与OAM阶数无关。这一发现有效克服了传统涡旋光束的局限，首次实现了在自由空间传输中的全方位“完美”，即“三维完美涡旋光束”（图2d-f）。

2. 增强的传输鲁棒性

研究团队发现等传播涡旋在遭遇障碍物破坏或其他扰动时具有自我重建的能力，并阐明了其自我重建的物理机制和能量流动规律。在地表与星地的长距离自由空间光通信中，大气湍流的影响不可避免。研究团队对等传输涡旋与传统涡旋光束在大气湍流中的传输进行了模拟，结果显示，由于OAM无关的传输特性，等传播涡旋在相同大气湍流扰动下，相较于传统涡旋光束受到的模式散射更少、更均匀，这显著提升了其在实际自由空间光通信中的应用潜力（图3）。

图3 不同涡旋光在经过1千米的大气湍流后的剩余模式强度(a)和串扰矩阵(b-d)

3.显著的通信容量提升 

研究者将基于等传播涡旋载波的空分复用方案与现有方案进行对比，发现前者在子信道数量上实现了显著提升（图4），从而有望大幅增加通信容量。在实验条件下，相较于不同现有方案，子信道提升了300%~808%。

由于传统涡旋光束在传播过程中会因衍射而导致光束尺寸和发散角随OAM增加，显著限制了其在空间模式复用通信、光纤数据传输及粒子操控等领域的应用潜力。等传播涡旋独特于其与OAM无关的尺寸和发散角，并展示出增强的传输鲁棒性，为涡旋光场的广泛应用带来创新工具。等传播涡旋光束的诞生，响应了社会对OAM无关传输特性的涡旋光束的迫切需求，其能够拓展现有数据通道并有望超越传统空间复用技术，显著提升信息传输容量。此外，其稳定的传播特性与出色的抗干扰能力也意味着它在未来通信网络中将有重要的应用前景。虽然等传播涡旋的应用前景广阔，但要充分挖掘其潜力并广泛应用于各领域，还需深入研究。