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轨道角动量模式与偏振交叉连接获得新突破
作者：欧光科技 发表时间：2025-04-21 13:53:33
光通信技术正站在通信领域的最前沿，不断探索着数据传输的极限。日前，一项创新研究在《光学通讯》（OpticsLetters）上发表，为光通信网络的未来发展提供了极具潜力的新方向。
一、通信容量困境与轨道角动量的潜力
随着物联网、人工智能等技术的飞速发展，全球数据流量呈爆炸式增长，互联网数据量每两年翻一番。现有光纤通信技术面临容量瓶颈，难以满足未来大数据传输需求。在此背景下，具有轨道角动量（OAM）的涡旋光束因其独特的模式正交性，为光通信带来巨大希望。
OAM携载光束在自由空间传播时，光子沿轴向螺旋运动，形成不同模式。这些模式彼此正交，如同通信中的不同“车道”，理论上可提供无限多正交复用信道，极大提升通信容量密度，构建高速、鲁棒的网络架构。
然而，现实并非理想。在光通信网络的关键节点，如何实现这些多维复用信道（模式、偏振、波长）的交叉连接，完成高效的数据交换与信息互联，成为横亘在科研人员面前的巨大挑战。
二、传统方法的局限性
传统方案依赖空间光调制器或Pancharatnam-Berry相位设备，通过螺旋相位调制实现模式映射，完成双通道模式交叉连接。但这些方法存在固有缺陷：空间光调制器对偏振敏感，Pancharatnam-Berry相位器件具有自旋依赖轨道相互作用，导致输入输出偏振响应固定。这使得它们在处理偏振复用信道时力不从心，难以实现轨道角动量模式与偏振的混合交叉连接，严重限制了光通信网络的灵活性与扩展性。
三、级联分区相位调制：创新性解决方案
为攻克这一难题，研究团队提出了一种创新的级联分区相位调制策略。这一方案巧妙地利用了轨道角动量模式在不同阶数上独特的发散特性。在自由空间同轴传播过程中，这些模式会呈现出模式的径向空间分离现象。
基于此特性，研究团队精心设计了分区相位调制结构。通过区域位移设计产生的分区相位，为多个相位轮廓提供了径向混合布局，明确划分了它们的工作区域。这使得在不同空间区域内，可以对彼此分离的轨道角动量模式进行独立的螺旋相位调制，从而实现多模态互换。
同时，通过操控分区调制下线性偏振分量的相位差，可以精准地选择性调节特定模式信道的偏振状态。这一创新性设计，使得轨道角动量模式与偏振的协同交叉变换成为可能，进而实现模式和偏振复用信道的高效交叉连接。
四、实验验证与关键成果
研究团队开展了严谨的实验验证。在实验中，成功实现了3个轨道角动量模式与两个偏振复用信道的交叉连接。实验结果显示，模式纯度超过0.951，偏振对比度高达0.947，模式插入损耗和偏振转换损耗分别低于3.42dB和3.54dB。在此基础上，研究团队成功交换了1.2Tb/s的四相移键控信号，误码率接近10-6。
为了进一步探索该方法的应用潜力，研究团队构建了一个24通道的轨道角动量模式数据交换通信系统，结合了三种依赖偏振的轨道角动量模式和八种波长。通过同时进行波长分复用，每个3个复用模式信道承载400Gb/s的相位调制信号进行交叉连接。
实验中，8个波长的光谱在交叉连接前后进行了测量，模式信道的串扰低于-24.6dB。对3个轨道角动量模式信道捕获的时间波形进行了观察，结果表明，这些信道的时间波形保持一致，成功实现了信号交换。
在误码率性能方面，研究团队对波长1550.12nm下的模式信道进行了评估。结果显示，在所有情况下，误码率均保持在3.8×10-3的硬判决前向错误纠正阈值以下，且随着接收光功率的增加，所有信道的误码率接近10-6，显示出良好的波长信道均衡性。通过星座分布计算得到的误差向量幅度低于20.74%，进一步证明了通信系统具备良好的数据交换性能。
这项研究提出的轨道角动量模式与偏振交叉变换策略，突破了传统交叉连接方法中偏振转换的限制，为光通信网络的构建和优化提供了全新的解决方案。未来，随着技术的进一步成熟和应用，这一创新有望推动下一代光通信技术的发展，助力构建高速、大容量、灵活可靠的通信网络，满足未来数字化社会对数据传输的无限需求。
可以预见，在不久的将来，轨道角动量模式与偏振交叉连接技术将成为光通信领域的关键支柱之一，为全球通信网络的升级与变革注入强大动力，开启光通信的新纪元。
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