光学轨道角动量及其在光通信中的应用

第1章 绪论 1.1 光通信技术的发展背景 光通信是指利用某种特定波长 (频率) 的光波信号承载信息将此光信号通过光纤或者大气信道传送到对方，然后再还原出原始信息的过程。从 3000 多年前的狼烟传信到目前仍然在使用的旗语、信号灯都可以看作是*原始的光通信。1880年，美国的贝尔发明了光电话，如图 1-1 所示，其基本原理是利用弧光灯或太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的振动镜上。当人对着话筒讲话时，振动片随着话音振动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息 “承载” 在光波上，也就是光调制。接收端装有一个抛物面接收镜，把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流，也就是光解调。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。无论是原始的光通信还是贝尔的光电话，都有两个非常显著的缺点：**是光源，太阳或弧光灯发出的都是自然光，为非相干光，方向性也不好，不容易调制和传输；第二是以大气作为传输介质，光信号在大气中传输时损耗较大，传输的容量和距离非常有限，且极易受到天气的影响，通信质量难以得到保证。 图1-1 贝尔发明的光电话结构原理图 1966 年，华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文[1]，开创性地提出只要解决好玻璃纤维中重金属含量导致的损耗过大等问题，就可以将玻璃制作成光学纤维，以实现信息的高效传输，为光纤通信的实用化打下了坚实的理论基础。接着，1970 年康宁公司拉制出世界上**根光纤，之后的十几年间康宁公司以及日本电报电话公司等光纤生产商将光纤的损耗降低到了 0.20dB/km 以下，解决了光传输介质的问题。1960 年，美国人梅曼 (Maiman) 发明了**台红宝石激光器；1970 年，美国贝尔实验室研制成功可在室温下连续振荡的镓铝砷 (GaAlAs) 半导体激光器，为高速信息的光调制提供了光源条件。1977 年，Kerdock 和 Wolaver 首次完成了光纤现场测试系统中传输信号 [2] 的实验。20 世纪七八十年代，以美国、日本、英国、法国为代表的西方国家加快了对光纤通信关键技术的研究突破，1985 年英国南安普顿大学的D. Payne 等通过在石英光纤中掺入少量的稀土元素铒离子，成功研制出掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)，使光纤通信系统的长距离传输成为可能，并于 1988 年和 1989 年分别建成了**条横跨大西洋的 TAT-8 海底光缆通信系统和**条横跨太平洋的 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统。另外，波分复用技术和相干接收技术的应用，以及波分复用器和其他无源光器件的发展，使光纤通信迅速成为目前承载海量信息传输的*主要手段。目前商用的单模光纤(Single-Mode Fiber， SMF) 通信系统的结构原理如图 1-2 所示。 图 1-2 单模光纤通信系统的结构原理框图 [3] 迈入 21 世纪，信息化浪潮席卷全球，引发了一场新的产业革命，信息产业在国民经济和社会发展中的作用与日俱增，已成为重要的支柱产业之一。光纤作为全球通信主干网络的*主要介质，其重要性不言而喻。《科学美国人》评价光纤通信是 “二战以来具有重要意义的四大发明之一”，没有光纤通信就没有今天的互联网和移动通信网络 [4]。 1.2 光纤复用传输系统的发展历程与趋势 1.2.1 光纤复用传输系统 光纤通信系统的发展主要分为三个阶段 [5.8]。20 世纪 70 年代到 80 年代为**阶段，主要标志为光纤性能的改善以及时分复用 (Time Division Multiplexing，TDM) 技术的应用，光纤传输损耗降低至 0.2dB/km，工作波长由短波长 (0.8μm)向长波长 (1.3μm 和 1.55μm) 演变，比特率也由 20～100Mbit/s 提升至 1.7Gbit/s以上；20 世纪 80 年代后期至 90 年代为第二阶段，贝尔实验室厉鼎毅博士等发明的波分复用系统与英国南安普顿大学发明的掺铒光纤放大器的应用为光纤通信系统带来了跨越式发展，EDFA 是光通信史上*重要的发明之一，它解决了波分复用器的插入损耗问题，由此波分复用技术的发展步入快车道，光通信系统速率成倍增长；21 世纪以来为第三阶段，随着器件水平的发展以及系统扩容的需要，以采用高频谱效率的高阶调制格式 (PM-QPSK、PM-8QAM、PM-32QAM)、偏振复用 (Polarization Division Multiplexing， PDM)、正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)[9] 为主要传输复用技术，以及在接收端用数字信号处理 (Digital Signal Processing，DSP) 技术来补偿光纤中各种损伤的相干光通信技术逐渐成为主流，进一步提高了光纤信道容量。过去四十年来一系列技术突破，使得每根光纤的容量每 4 年便增加 10 倍 [8]，如图 1-3 所示。 图 1-3 光纤传输系统容量的演变 [8] 如今，随着人工智能 (AI)、物联网 (IoT)、大数据、网络视频服务、云计算、AR+VR、WiFi-6、5G 移动通信技术等的飞速发展 [8]，全球数据流量以指数形式呈现爆炸式增长 [10.14]。李克强总理在 2015 年**季度的经济形势座谈会上指出，要提高中国的网络带宽，加大信息基础设施建设 [15]。2017 年思科公司发布的报告指出，2016～2021 年的五年间，全球网络协议 (Internet Protocol，IP) 流量将以年均负荷增长率 24％增长 3 倍左右，2021 年的年度全球 IP 流量将达到3.3ZB[14]。与此同时，宽带速率也在飞速增长。2018 年思科公司发表的白皮书指出，2023 年全球固定宽带速率将达到 110.4Mbit/s，是 2018 年速率 (45.9Mbit/s)的两倍多 [16]，并且，这种数据量的指数式增长未来仍会持续几十年 [10]，甚至一个世纪 [17]。这意味着每时每刻都有海量数据需要通过光纤进行传输，这对光纤通信系统的传输速率和容量以及光网络的智能化都提出了更高的要求，光纤通信的发展正朝着超高速、超大容量、超长距离的 “三超” 目标迈进 [4]。 由光场的分布公式 E(x， y， z， t) = .eA0ejφψ(x， y) exp[j(ωt . βz)]ejlθ 可知，光纤可用的复用维度包括：时间、频率、偏振、(正交) 相位以及空间幅度和空间相位 [18]，如图 1-4 所示。目前，除了空间维度以外，基于 .e 相互垂直的两个方向.ex 和 .ey 的偏振复用技术，基于幅度和相位 A0ejφ 的高阶调制技术，基于时间 t的时分复用技术，以及基于波长或频率 ω 的波分复用技术已经被陆续应用到当前的单模光纤传输系统中，即系统中只有一个基模——HE11 模可以传输，也就是光场分布式中与空间相位有关的拓扑荷 l = 0 对应的模式，此时表征能量传输方向的坡印亭矢量轨迹为沿 z 轴方向的直线。然而，经过几十年的发展，目前的单模光纤通信系统光波的频谱利用率已经几乎达到极限，其传输容量即将达到100Tbit/s 的香农极限 [19.21]，如果仅通过基于奈奎斯特-波分复用 (Nyquist-Wave Division Multiplexing， Nyquist-WDM) 或者光正交频分复用 (Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing， O-OFDM) 的超信道技术和继续提高调制格式阶数的方法来增大容量，必会给系统带来很大的损伤。单模光纤通信系统容量的增长乏力与数据流量呈指数增长之间的差异可能会导致容量短缺危机的到来 [12，22]。 图 1-4 光通信中用于调制与复用的五个物理维度 [23] 为了进一步提高传输速率、增大传输容量以满足急剧增长的带宽要求，探寻新的光纤传输复用维度，并将其与其他新型复用技术进行结合是解决容量危机的另一个有效途径。此时，基于空间维度的空分复用 (Space Division Multiplex， SDM)技术应运而生，其中包括多芯光纤和基于空间幅度 ψ(x， y) 或空间相位 ejlθ 项的模分复用技术，相当于在光纤传输过程中增加了一个新的复用维度，使光纤的频谱利用率和传输容量再一次得到提高，而成为*有前途的新型复用技术，有望与其他复用技术协调共用以解决即将面临的容量短缺危机，因此成为当下的研究热点。 1.2.2 空分及模分复用技术 空分复用是一种利用空间信道来提高容量的复用技术，可以应用于自由空间光 (Free Space Optical， FSO) 通信或者波导型光通信中。图 1-5 给出了空分复用技术的演进过程。图 1-5(a) 为实现空分复用*简单的形式，该方案将多个现已存在的波分复用系统作为空间信道并行起来，使系统容量增加到原来的 M 倍，但是该方案的每个空间信道仍然是单模光纤和器件，所以整个系统的开销及功耗也同时增加为 M 倍，因此该方案不具备实用化优势。为了让空分复用系统能够在商业网络和系统中应用，需要降低每比特信息的开销和能耗，这样才能在满足网络容量需求迅速增加的同时保证系统功耗*低 [24]，因此必须将系统中的空间信道系统组件进行集成。图 1-5(b) 是将可重构光分/插复用器、光放大器、转发器、网络单元等器件集成的空分复用系统。图 1-5(c) 是将系统的无源器件、有源器件以及光纤链路等所有路径都集成的空分复用系统，该方案的实现有可能基于光信号在多芯光纤中传输，也可能使用基于少模或 OAM 模式复用的光纤传输，从器件集成到整个空分复用系统的集成不仅可以降低功耗还可以减小安装的费用，从而减小基础建设的资金投入和后期运营的开支，以满足商业*大利益化的需求 [8，25，26]。 图1-5 空分复用技术的演进 (a) 基于空间并行传输路径的空分复用系统；(b) 可重构光分/插复用器、光放大器、转发器等部分器件集成的空分复用系统；(c) 未来光纤链路、器件等所有路径都集成的空分复用系统 [11]。TX：发射机；RX：接收机 图 1-6 总结了实现空分复用的几种不同方法 [27]，空分复用技术大致可分为两种技术路线，即多芯光纤（Multi-Core Fiber）复用和多模复用。其中多模复用又被称为模分复用，包括基于 LP 模式和 OAM 模式的复用技术。在多芯光纤中，每个纤芯的不同信道还可以进行波分、偏振、多模等多种形式的复用，而超模则是由耦合的多芯光纤构成。 图1-6 实现空分复用的几种方法 [27] 1.2.2.1 基于多芯光纤的空分复用技术 多芯光纤 (Multi-Core Fiber， MCF) 的概念*早由日本古河电气工业株式会社的 S. Inao 等于 1979 年提出 [28]，但是直到 1994 年法国电信联合阿尔卡特公司设计开发了 4 芯单模光纤后才**次进行了长距离通信实验 [29]。基于多芯光纤的空分复用技术，即多芯光纤的每个纤芯相当于一个独立的信道，这些独立的信道还可以分别进行波长、偏振复用或高阶调制。自多芯光纤的概念提出以来的四十年，日本和美国的光纤生产商在多芯光纤的设计与拉制方面积累了丰富的经验，用于信息传输的纤芯数量也从 7～9 芯提升至目前的 20～30 芯 [30，31]，可实用化多芯光纤的*大纤芯复用数可高达 30～50 芯 [32]。近几年，利用多芯光纤结合其他复用技术进行传输的实验也越来越趋于成熟。2011 年，Liu 等利用 7 芯光纤实现了 1.12