光波的振幅、相位、偏振、波長和時間維度已經被廣泛利用來提高光通信容量。除了這些傳統的復用技術，軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）光束可以作為載波進行多路復用，從而提高系統的通信容量和頻譜效率。目前，OAM通信研究已在國際上引起廣泛關注。

武漢光電國家實驗室（籌）王健教授領銜的多維光子學實驗室（MDPL：Multi-Dimensional Photonics Laboratory）一直致力于OAM光通信研究，在這個領域取得了系列進展。

在光纖OAM通信研究方面：

在自由空間中，李樹輝老師提出了一種基于OAM陣列編碼的新型光通信通訊技術。通過充分利用空間維度（正交的空間模式和空間位置），單個碼元的信息量可以獲得極大提升。采用此技術方案，系統的空間利用率和集成度也有望被提高。利用4個空間位置，每個位置包含5或6個OAM態，在實驗中展示了625碼元和1296碼元的高維編碼通信并評估了數據信息和圖像信息在湍流下傳輸的性能。該工作以論文“Experimental demonstration of optical interconnects exploiting orbital angular momentum array”發表在Optics Express (vol. 25, no. 18, pp. 21537-21547, 2017)上。

在光纖OAM通信中，博士生王璐璐提出了基于無載波幅相調制的模分復用無源光網絡結構，在1.1km帶有溝槽結構的橢圓光纖中實現了兩個模式（LP01和LP11a）的復用。2.5-Gbaud CAP-16信號作為下行傳輸信號，成功實現了服務于4個終端用戶并且單用戶凈速率達到5 Gb/s。該工作以論文“MDM transmission of CAP-16 signals over 1.1- km anti-bending trench-assisted elliptical-core few-mode fiber in passive optical networks” 發表在Optics Express (Vol.25, No.19, pp. 22991-23002, 2017)上。

博士生朱龍實現了2.6公里OM3多模光纖中OAM模群復用傳輸。在實驗中分別使用了4個模式(OAM0,1, OAM-1,1/OAM+1,1, OAM+2,1, and OAM+3,1)的傳輸，并且獲得良好的通信性能。該工作以論文“Orbital angular momentum mode groups multiplexing transmission over 2.6-km conventional multi-mode fiber” 發表在Optics Express (Vol.25, No.21, pp. 25637-25645, 2017)上。

根據課題組研究的進一步深入，博士生王安冬等人提出一種更低計算復雜度的基于傳統多模光纖的OAM模式復用通信方案。通過利用多模光纖模群內部模式有效折射率差較小，但模群之間具有大有效折射率差的特性，采用模群間無干擾復用和模群內小規模MIMO輔助復用相結合的復用方式來大大降低系統復雜性與算法復雜度，僅通過2X2 和4X4 MIMO-DSP實驗實現了6個OAM模式的10-Gbaud QPSK信號在8.8 km MMF中的復用傳輸，總傳輸容量為120 Gbit/s，六路OAM模式7% 前向糾錯碼（FEC）門限下的OSNR代價都小于2.5 dB。2018年4月9日，光學期刊Optics Express (Vol.26, No.8, pp. 10038-10047, 2018)發表了題為“6個軌道角動量模式在8.8 km傳統多模光纖中的復用通信”（Directly using 8.8-km conventional multi-mode fiber for 6-mode orbital angular momentum multiplexing transmission）的研究成果。

水下通信是海洋監測與海洋開發中一項關鍵技術。為了實現水下通信系統容量可持續地增長，光的空間維度可以引入到現有的水下無線光通信。在空分復用技術中，利用軌道角動量（OAM）進行復用被廣泛的研究。

博士生趙一凡首次在水下實現了4路軌道角動量模式廣播通信，每路通道攜帶1.5-Gbaud 8-QAM-OFDM信號。同時，在實驗中我們驗證了更高調制格式的可能性。該方案具有可拓展性，軌道角動量模式數可以進一步提高。相關研究成果以論文“Demonstration of data-carrying orbital angular momentum-based underwater wireless optical multicasting link”發表在Optics Express (Vol.25, PP. 28743-28751, 2017).

同時，為了解決水位的變化會導致的跨空水界面光通信中光束發生偏移從而造成光信號接收對準問題，武漢光電國家實驗室光電子器件與集成功能實驗室王健教授和博士生王安冬等人設計了一種可以根據接收到的OAM光束的強度分布自適應反饋的反射裝置來實現光束的重新對準，并在長度為2 m的長方形水箱搭建實驗平臺驗證。為了驗證跨空水界面的數據信息傳輸性能，傳輸了靈活性較高的離散多音調制信號，并通過比較無反饋裝置與有反饋裝置下的系統誤碼率性能曲線，驗證了所設計的反饋裝置的有效性。2018年3月26日，光學期刊Optics Express (Vol.26, No.7, pp. 8669-8678, 2018)發表了題為“基于反饋裝置的渦旋光水-空-水信息交換系統”（Adaptive water-air-water data information transfer using orbital angular momentum）的研究成果。

另外，在OAM機理上，光為何會攜帶角動量，而且表現出不同的形式。針對這個問題，博士生方良從光的電場矢量演變角度出發，推導了光的各個維度角動量表達形式，分析了它們之間的內在聯系，包括縱向自旋與軌道角動量，自旋軌道耦合，橫向自旋角動量，以及圓偏振狀態下的螺旋自旋流等。結果表明，光的縱向自旋和軌道角動量與光的電場矢量疊加有關，依賴于疊加電場分量的相位差與振幅大小。研究發現，自旋軌道耦合效應以及橫向自旋是光的一種本征屬性，普遍存在，只是在非旁軸情況下，由于縱向電場的增強而表現得很強烈。自旋軌道耦合以及橫向自旋在微納光學領域具有重要的研究價值，例如橫向自旋可以應用于光子自旋控制的單方向耦合，導致了近年來手性量子光學的發展。該成果以題目“Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition” 發表在Optics Express上 （Vol. 25, pp. 23364-23375, 2017)。

以上工作得到了國家973計劃課題（2014CB340004,）、國家自然科學基金(61761130082, 11574001, 11774116, 11274131, 61222502)、英國皇家協會牛頓高級研究基金、萬人計劃青年拔尖獎勵計劃(NCET-11-0182)，青年長江獎勵計劃和新世紀人才計劃等項目支持。

文章鏈接：

[1]     Li S, Wang J. Experimental demonstration of optical interconnects exploiting orbital angular momentum array.[J]. Optics Express, 2017, 25(18):21537-21547.
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-18-21537&origin=search
[2]     Wang L, Ai J, Zhu L, et al. MDM transmission of CAP-16 signals over 1.1- km anti-bending trench-assisted elliptical-core few-mode fiber in passive optical networks[J]. Optics Express, 2017, 25(19):22991-23002.
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-19-22991&origin=search
[3]     Zhu L, Wang A, Chen S, et al. Orbital angular momentum mode groups multiplexing transmission over 2.6-km conventional multi-mode fiber.[J]. Optics Express, 2017, 25(21):25637-25645.
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-21-25637&origin=search
[4]     Wang A, Zhu L, Wang L, et al. Directly using 8.8-km conventional multi-mode fiber for 6-mode orbital angular momentum multiplexing transmission[J], Optics Express.2018,26(8):10038-10047
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-8-10038&origin=search
[5]     Zhao Y, Xu J, Wang A, et al. Demonstration of data-carrying orbital angular momentum-based underwater wireless optical multicasting link[J]. Optics Express, 2017, 25(23):28743.
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-23-28743&origin=search
[6]     Wang A, Zhu L, Zhao Y , et al. Adaptive water-air-water data information transfer using orbital angular momentum[J]. Optics Express.2018,26(7):8669-8678
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-7-8669&origin=search
[7]     Fang L, Wang J. Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition.[J]. Optics Express, 2017, 25(19):23364.
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-19-23364&origin=search