光学涡旋在光通信领域的研究综述（基于《AdvancedPhotonics》2025年相关成果）

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作者：欧光科技发表时间：2025-10-22 11:18:26

本文综述深圳大学与中山大学研究团队发表于《AdvancedPhotonics》2025年第7卷第4期的学术成果，系统梳理“光学涡旋”技术突破传统光通信容量极限的核心逻辑，围绕其通信系统构建的关键环节展开分析，并明确未来发展方向与应用前景。

一、研究背景与核心意义

1.传统光通信的技术瓶颈：在万物互联的信息社会中，光通信技术是支撑信息传输的核心基础设施。然而，随着数据流量的指数级增长，传统光通信技术已逐步逼近容量极限，亟需通过新维度拓展传输能力。

2.光学涡旋的技术优势：光学涡旋具有独特的螺旋相位结构，可携带轨道角动量（OAM）与柱矢量光束（CVB）模式。此类模式具备“无限正交性”，能够为信息传输提供额外维度，成为大幅提升通信容量的关键技术路径。

3.研究团队与成果定位：该综述由深圳大学袁小聪教授、李瑛教授与中山大学刘洁副教授联合完成。成果系统总结了OAM/CVB通信系统的发展历程与最新进展，为高容量光通信网络的构建提供前沿学术支撑。

二、综述核心内容：光学涡旋通信系统的三大核心环节

研究团队明确，模式（解）调制、模式处理、模式传输是构建OAM/CVB模式通信网络的三大支柱，三者共同构成系统构建与组网的核心支撑，直接影响信号编码效率、信道容量提升及信号互联传输效能。

（一）模式调制与解调技术

1.模式调制：通过二进制数据流与OAM模态的映射关系实现多级调制，同时结合空间位置、径向指标等维度，可进一步扩展调制维度、提升调制阶数，为高容量信号编码奠定基础。

2.模式解调：传统解调方法（如干涉法、衍射法、旋转多普勒效应）仍为领域内常用技术；近年来，深度学习方法（如卷积神经网络CNN、前馈神经网络FNN）的应用，显著提升了高维或混合模态的识别准确率与效率，部分实验中模式识别准确率可达到100%。

（二）模式处理技术

模式处理技术涵盖模式复用/解复用、模式互联及模式计算三大方向，核心目标为实现多模信号的高效管控与调度：

1.模式复用与解复用：已形成多类技术方案，包括分束器、叉形光栅、角透镜、坐标变换技术、多层调控器（MPLC）、深度衍射神经网络（D2NN）及片上集成器件等，可实现多模信号的高效分离与耦合。

2.模式互联：依托螺旋相位板、液晶调控器、衍射神经网络等器件，实现模式交换、路由及信道上传/下载等功能，保障多模信号的灵活调度。

3.片上集成：以环形谐振腔、亚波长光天线、硅光子平台为核心，探索低成本、小型化的片上集成路径，为光学涡旋通信设备的工程化应用提供支撑。

（三）模式传输技术

针对自由空间与光纤两大传输场景，研究团队分析了技术难点与优化方案，重点解决传输稳定性与容量拓展问题：

1.自由空间传输：OAM模式易受大气湍流、波前畸变影响，需通过自适应光学技术、多焦透镜补偿等手段，维持传输过程中的信号稳定性。

2.光纤传输：重点研究固体氧化硅环芯光纤（RCFs）与微结构纤维的应用；通过少模光纤、多芯光纤、少模多芯光纤及多维复用技术，有效缓解模式耦合损耗与串扰问题。现有实验已实现数十至上百Tb/s容量级别的远距离传输，验证了技术的应用潜力。

三、研究结论与未来展望

1.核心结论：光学涡旋的OAM与CVB模式具备无限正交本征特性，为突破传统光通信容量瓶颈提供了变革性技术路径，是推动光通信向更高容量、更高效率发展的关键方向。

2.未来研究方向：

研发创新性技术方案，提升光学涡旋系统的可扩展性与兼容性，适配复杂通信场景需求；

探索光学涡旋模式与先进数字信号处理器技术的融合路径，形成混合技术体系，优化系统性能；

依托材料科学（开发具备定制光学特性的新材料）、光子集成（简化设备设计与部署流程）、计算算法（如机器学习优化模式复用/解复用过程）三大领域的进步，突破当前系统限制，提升通信容量与可靠性。

3.行业呼吁：研究团队倡导光通信领域的科研人员与从业者加强合作创新，推动技术成果的工程化转化与产业化应用，加速光学涡旋技术在实际通信网络中的落地。