空间模式在自由空间光通信和光纤光通信中引起了越来越多的关注。水下无线光通信正成为海洋探测中一项前景广阔的技术。在此，Zhao等人通过实验展示了一个水下无线光通信链路，使用不同的空间模式（传统的高斯模式、具有螺旋角动量的轨道角动量模式以及无衍射和具有自修复性的贝塞尔模式），受到气泡和障碍物的影响。用商用氧气泵模拟了水下气泡的动态干扰。水下障碍物，即静态干扰，被人为地引入光路。研究人员评估了三种空间模式及其在动态气泡作用下的水下传输性能。此外，研究人员还演示了一个具有静态障碍物的水下传输链路，使用三种空间模式携带1.4 Gbaud正交频分复用信号。研究发现，贝塞尔模式对障碍物的对抗性能最好。随着未来的改进，在高速水下无线光通信使用空间模式复用将是一项有广阔前景的技术。该工作发表在Optics Letters上。
Yi-Fan Zhao, An-Dong Wang, Long Zhu, Wei-Chao Lv, Jing Xu, Shu-Hui Li and Jian Wang, Performance evaluation of underwater optical communications using spatial modes subjected to bubbles and obstructions, Optics Letters (42)22: 4699-4702 (2017).
众所周知，海洋覆盖了地球表面的大部分区域。然而，它们通常仍未被探索。考虑到越来越多新兴的水下活动，如海洋学研究、海洋石油勘探、海底调查和海洋环境监测，人们对船舶、海军舰艇、自动潜航器、潜艇和其他海洋应用设备的强大水下无线通信网络的兴趣与日俱增。声波作为水下低衰减载体被广泛应用于水下通信。然而，这种技术存在低带宽、多路径传播、大延迟，甚至多普勒传播，导致一公里规模的水下通信只有几十千比特每秒。显然，它很难满足当今高速水下通信链路的需求。幸运的是，蓝绿光可以作为水下传输的替代光源，其光频率衰减相对较低，具有容量大、低延迟、安全性高等优点。此外，广泛应用于光纤通信中的空分复用技术在提高传输容量方面具有巨大的潜力。链路容量乘以正交空间模的数量，在空间分复用系统中可以采用不同类型的空间模。因此，研究不同空间模式的水下传输性能具有重要意义。高斯模式广泛应用于光通信中，无论是在自由空间还是光纤链路中，而具有螺旋相位波前的轨道角动量模式也被用作空间分复用系统中可能的模式基集，这得益于理论上正交的无限轨道角动量值。近年来，水下无线光通信也采用了轨道角动量模式来增加传输容量。此外，同样携带轨道角动量的贝塞尔模式以其无衍射和自修复的特性而闻名，在光通信方面受到越来越多的关注。
在实际的水下场景中，并不总是风平浪静的。虽然海面上的波浪不直接影响水下通信链路，但水下生物或地质活动产生的气泡（动态干扰）和障碍物（静态干扰）可能会导致光通信系统性能的降低。然而，到目前为止，对受这些因素影响的水下无线光通信，特别是空间模式传输的研究有限。在这种情况下，研究和评估在气泡和障碍物作用下不同空间模式下的水下传输性能是有价值的。
利用三种不同空间模式模拟受到气泡和障碍物影响的水下无线光通信的概念和原理，如图1所示。在实际的水下场景中，气泡、障碍物等因素会影响光传输链路。由于气泡由许多中空的空气球组成，主光功率直接通过气泡，散射很小，而悬浮在光路上的障碍物会造成功率损失。在520 nm的水下光通信链路中，研究人员选择了三种典型的空间模式（高斯模式、轨道角动量模式和贝塞尔模式）。高斯模式为基模，轨道角动量模式具有螺旋相位波前和由此产生的甜甜圈强度分布。贝塞尔模式以其无衍射和自修复特性而闻名，可能会在无线光通信中带来更好的性能。
图2显示了水下无线光通信的实验装置，采用不同的空间模式，受到气泡和障碍物。采用一个2米长（宽40厘米，高40厘米）的装满自来水的水箱来模拟实验室的水下条件。同时，用流量为1.8 L/min的商用氧气泵产生气泡。通过在玻璃上放一小片不透明的纸，人为地在光路上引入障碍物。纸张尺寸小于光束尺寸。由任意波形发生器产生1.4 Gbaud的正交频分复用16进位正交调幅信号，经电放大器放大后，直接调制到520 nm单模尾状激光二极管上。利用半波片和偏振器对绿光光束进行准直并调整到合适的偏振方向。通过使用空间光调制器，输出调制的绿光光束可以转换为所需的空间模式，这取决于加载到空间光调制器上的图案。然后，具有所需空间模式的绿光光束穿过2 m的水箱。测量的功率损耗小于5 dB，即每米功率损耗小于2.5 dB/m。在接收端，由两个透镜组成的反向望远镜减小了雪崩光电探测器的光束尺寸，并使用中性密度滤波器衰减光功率，用于相机检测和误码率测量。另一个空间光调制器被用来解调轨道角动量模式或贝塞尔模式。对于高斯模式，它只作为一个纯光栅。光信号经雪崩光电探测器检测后，转换为电信号，经放大后连接到示波器。实验中，所使用的雪崩光电探测器被限制在1 GHz。然而，通过使用功率加载技术将信号带宽扩展到1.4 GHz（带有100个正交频分复用子载波）。
图1 水下无线光通信的概念。采用三种不同的空间模式（高斯、轨道角动量和贝塞尔），遇到气泡和障碍物。
图2 水下无线光通信实验装置采用三种空间模式（高斯、轨道角动量和贝塞尔）遇到气泡和障碍物。AWG，任意波形发生器；EA，电放大器；Col，准直器；HWP，半波板；Pol，起偏器；SLM，空间光调制器；NDF，中性密度过滤器；FM，翻转镜面；APD，雪崩光电探测器；OSC，示波器。
首先，研究三种空间模式光在通过气泡后的功率波动。如图3(a)-3(f)所示，这些图的横轴表示在200秒内以1秒的间隔测量光功率。从这些图中可以看出，在没有气泡时接收到的光功率保持稳定（轻微波动）。当光束受到气泡这一动态干扰时，功率波动明显增大（4 dB波动）。此外，值得注意的是，不同的空间模式（高斯模式、轨道角动量模式和贝塞尔模式）显示出几乎相同水平的气泡功率波动。图3(g)-3(i)描绘了气泡的照片和受气泡影响沿传输链路的光散射。观察到的气泡对三种空间模态的相似影响可以解释如下。用相机观察通过气泡的动态强度分布。与自由空间光通信中的大气湍流引起接收位置的动态变化不同，在气泡作用下的水下光通信中，尽管存在叠加的低功率气泡引起的上升圆形阴影，但接收点（大部分接收功率）的位置变化可以忽略不计。实际上，气泡中充满了空气，光束可以直接穿过它们，在空心球体表面有轻微的散射。因此，无论在通信链路中采用不同的空间模式，水下光通信中的气泡都会引起一定的功率波动。
图3 (a)-(f) 三种空间模式下气泡作用下的实测功率波动：(a), (b) 高斯模式、(c), (d) 轨道角动量模式和(e), (f) 贝塞尔模式；(a), (c), (e) 无气泡；(b), (d), (f) 有气泡。(g) 氧气泵产生气泡的照片。(h) 受气泡影响的光沿传输链路散射的照片。(i) 放大光散射照片。
然后，研究静态障碍物对水下传输性能的影响。在实验中，障碍物是一小片不透明的纸，将其粘附在透明玻璃上，透明玻璃放置在水下的底座上，并放置在光路上，如图4(d)和4(e)所示。障碍物遮挡了一部分光束。图4(a)显示了加载到空间光调制器1上的模式以及在发射机（Tx）处生成的三种空间模式（高斯模式、轨道角动量模式和贝塞尔模式）。通过在空间光调制器1上加载纯线性相位渐变光栅图，可以获得具有设计衍射角的高斯模式。由于使用的准直器设计波长为633 nm且具有较大的数值孔径，因此，高斯模式并不完美。轨道角动量模式（l=3）通过加载叉形图样产生，贝塞尔模式（l=3）由螺旋相位、轴突相位和纯光栅相位组成的复杂图样产生。高斯模式在光束中心有一个亮点，而轨道角动量模式和贝塞尔模式由于光束中心的相位奇异而具有甜甜圈强度分布。在引入障碍物之前，接收器（Rx）的接收和解调强度分布图，如图4(b)所示。这三种空间模式都可以通过在空间光调制器2（具有逆拓扑荷l，对于高斯光束来说l=0）。解调后，轨道角动量模式和贝塞尔模式都被反转换为类高斯光束，光束中心有亮点。当在光路中引入障碍物时，从图4(c)中可以看到，高斯模式和轨道角动量模式在接收端被部分阻挡。相比之下，贝塞尔模式受障碍物诱导对接收强度的影响很小，表明贝塞尔光束具有无衍射和耐障碍物的特性。当观察解调的强度分布图时，可以看到高斯模式和轨道角动量模式都被严重扭曲，而贝塞尔模式仍然在光束中心保持一个清晰明亮的斑点。
图4 (a) 空间光调制器（SLM1）上的模式和发射机处生成的三个空间模式（Tx）（左，高斯；中间，轨道角动量；右，贝塞尔）。(b), (c) 接收机接收和解调强度分布图（Rx）。(b) 无障碍物和(c) 有障碍物。(d), (e) 障碍物照片。
最后，研究人员对三种空间模式下的1.4 Gbaud正交频分复用16进位正交调幅水下无线光通信进行了演示，并对其平均误码率性能进行了表征。由于雪崩光电探测器只对光功率敏感，因此，在不同空间模式下接收相同功率时，误码率是相等的。在误码率测量中，三种空间模式在发射机端具有相同功率。通过记录误码率作为接收端中性密度过滤器衰减的函数来绘制误码率曲线。图5(a)显示了无阻塞情况下高斯模式、轨道角动量模式和贝塞尔模式的实测平均误码率性能。可以看出，三种空间模式的误码率曲线彼此接近。贝塞尔模式和轨道角动量模式的误码率稍好。图5(b)显示了高斯模式、轨道角动量模式和贝塞尔模式的测量平均误码率性能。可以看到，轨道角动量模式表现出优于高斯模式的性能，而贝塞尔模式由于其无衍射和耐阻碍的特性而具有最佳性能。与高斯模式相比，当贝塞尔模式的误码率为3.8×10-8（前向纠错阈值提高7%）时，可以观察到误码率性能提高约1.5 dB。正交频分复用16进位正交调幅信号的测量也在图5(a)和5(b)的插图中描述。图3-5所示的结果表明，在水下无线光通信中，气泡对不同空间模式的影响相似，而贝塞尔模式在障碍物作用下优于轨道角动量模式和高斯模式。
图5 测量的水下无线光通信使用高斯模式、轨道角动量模式和贝塞尔模式的误码率。(a) 无阻塞，(b) 无阻塞。
总之，研究人员通过实验评估了不同空间模式下水下无线光通信在动态气泡和静态障碍物下的传输性能。实验中考虑了三种空间模式，即传统的高斯模式、具有螺旋相位前的轨道角动量模式和无衍射耐阻贝塞尔模式。此外，研究人员还演示了使用高斯模式，轨道角动量模式和贝塞尔模式携带1.4 Gbaud正交频分复用16进位正交调幅信号的水下无线光通信链路。研究表明，动态气泡对不同空间模式的影响相似，而贝塞尔模式对障碍物的性能最好（与高斯模式相比提高了约1.5 dB）。随着未来的改进，在高速水下无线光通信使用空间模式复用将是一项有广阔前景的技术。
