封面 | 轨道角动量编/解码技术—提高信道容量的“新星”

封面解析

封面形象地展示了由5位二进制序列（00000~11111）编码的32组复合涡旋光束在自由空间中传输。在发送端，首先将32组复合涡旋光束依据提出的映射关系式转换成32组单束拉盖尔-高斯（LG）涡旋光束，随后依次照射在x或y轴方向周期渐变光栅上，通过周期渐变光栅的远场衍射光斑图可成功检测出入射LG涡旋光束的OAM模态和径向模态，从而推导出对应的复合涡旋光束并实现正确解码。《光学学报》2023年第11期封面文章 | 吴鹏飞; 王小蝶; 王姣; 谭振坤; 贾致远;. 间隔轨道角动量的复合涡旋光束编/解码研究[J]. 光学学报, 2023, 43(11): 1126001.

导读

为提高传输系统的信道容量、编码效率以及解码的可靠性，本文提出了一种基于轨道角动量(OAM)和径向模态的复合涡旋光束编码方法。通过光栅的远场衍射光斑可成功检测出发射单束LG涡旋光束的参数p和l，且不受OAM和径向模态增加的影响，最终可实现正确解码。

1.

研究背景

利用光的维度将数字信号进行编码是光通信的重要基础，传统的编码依赖于光的偏振、复振幅、波长/频率、时间等维度来实现大容量通信，如图1所示。随着通信技术的发展以及移动互联网、物联网的兴起，传统的编码方法已经不能满足人们对更大信道容量通信系统的需求。涡旋光束的OAM作为一个新的光学维度，该编码方式具有信道容量大、传输速率高等优点，可解决光学编码中传输容量紧缩的问题。

 图1 光波的物理维度资源

涡旋光束在自由空间中传输时会受到大气衰减和湍流效应等一系列影响，导致通信系统性能降低。其中湍流效应会造成大气折射率的随机起伏，使得接收光信号产生光强起伏、OAM 串扰、光强闪烁、光束漂移、光束扩展等现象，从而降低了光束的传输质量，增加了涡旋光束编码通信的误码率。拓扑荷数l和径向指数p是LG涡旋光束通信系统的两个重要参数，因此研究在接收端如何准确高效地检测出入射LG涡旋光束的l和p具有重要意义。

2.

复合涡旋光束

西安理工大学吴鹏飞教授课题组基于理论推导和数值模拟，对两束LG涡旋光束共轴叠加产生的复合涡旋光束进行编码，通过周期渐变光栅检测后解码，研究结果为拓展OAM模态在信息编/解码领域的应用提供了一定的理论基础。

通过推导的复合涡旋光束光场强度表达式，仿真了与{p₂ = 0, 1, 2, 3; l₂ = 3, 5, 7, 9}、与{p₂ = 0, 1, 2, 3; l₂ = -3, -5, -7, -9}共轴叠加产生的32组复合涡旋光束光强图，如图2所示。光强图呈现明亮的多环状光斑，光强图环数为p = max(p₁, p₂)+1，每环的光斑数为|l₂ - l₁|。采用5位二进制序列对图2的32组光强图进行编码，使编码后的光束依次在自由空间中有序传播。

图2 复合涡旋光束光强分布图

在接收端通过x轴或y轴方向周期渐变光栅检测出入射光束的OAM模态l和径向模态p，由于周期渐变光栅仅能检测出单束LG涡旋光束的参数，因此可以将32组复合涡旋光束映射转换成32组单束LG涡旋光束，单束LG涡旋光束可以用OAM模态和径向模态的组合表示为|l, p>，其光强分布如图3所示。

图3 复合涡旋光束对应的单束LG涡旋光束光强分布图

当单束LG涡旋光束照射周期渐变光栅时，其远场会呈现出与入射光束阶次相关的衍射场分布，图4是单束LG涡旋光束|lm = +5, 1>照射x轴方向周期渐变光栅的远场衍射光斑图。

图4 LG涡旋光束经过x轴方向周期渐变光栅的远场衍射光斑图

对于x轴方向周期渐变光栅，当入射LG涡旋光束l_m为正时，-1、+1衍射级的衍射光斑节线方向分别为左上到右下、左下到右上；而l_m为负时则相反。由图4(d)可以看出，+1衍射级光斑图节线方向为左下到右上，节线个数为5，则可检测出入射LG涡旋光束l_m = +5；图4(e)的0衍射级光斑图中箭头指的黑圈表示0级环数，根据径向模态p = 0级环数-1，可检测出入射LG涡旋光束p = 1。综上可知，入射LG涡旋光束为|l_m = +5, 1>，则对应的复合涡旋光束为，进而可解码为01010。y轴与x轴方向周期渐变光栅检测及解码原理相似，具体见文中。

3.

后续工作展望

后续工作将集中于以下几个方面：(1) 通过多种同型（相位型或振幅型）的光栅叠加产生一个新型复合光栅，实现各衍射级次的相对能量较高以便于观察、远场衍射效率高以及OAM模态探测范围大等目标；(2) 通过深度学习的各种算法及经典模型：深度神经网络（DNN）、卷积神经网络（CNN）等，以提高涡旋光束OAM模态和径向模态检测识别的准确度。

通信作者简介

吴鹏飞，工学博士，西安理工大学教授，硕士生导师，西安市无线光通信与网络技术重点实验室副主任。主要从事无线激光通信与水下光通信技术研究。先后主持并完成包括国防预研领域基金、陕西省重点研发计划等各级各类课题共26项，经费共计400多万元。国内外发表学术论文50余篇，其中SCI和EI检索20篇；获省部级科学技术奖励6项，厅局级科技奖励2项。出版专著2部，教材2本，获批国家发明专利11项。

科学编辑 | 吴鹏飞；王小蝶

编辑 | 张浩佳

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