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一、导读

从古时的烽火台到现代化的信息高速公路，光的强度、频率、偏振、相位等多个物理维度陆续被开发作为信息通道，推动通信容量的一次次跨越式提升。面向5G、6G通信技术革命，近年来对于光场空间结构的开发，为应对无止境增长的通信带宽需求提供了新思路：通过大量独立、正交的空间模式进行通信网络扩容。其中，携带光学轨道角动量（OAM）的涡旋光带来了最大的想象空间：理论上能够提供无限多的正交信息通道，从而支撑无限大的数据量。

然而，目前绝大多数的涡旋光通信应用示范研究中，涡旋光的通道数被严重限制在20个以内。这源于涡旋光的一大瓶颈问题：传统涡旋光的发散角随着通道数的增加（阶数增加）而迅速上升，意味着接收端的光学口径急剧扩大，例如第99阶模式所需接收面积为第1阶的50倍（如图1所示），伴随而来的规模、造价上的飞涨都是实际通信系统难以承受的，因而极大地限制了涡旋光对通信带宽的实际提升效果。

图1：传统涡旋光通信的瓶颈问题之一

最近，这一限制被突破。来自清华大学精密仪器系、英国南安普顿大学的研究团队提出了新型的光通信载波模式——”超自由度”结构光，如图2a、2b所示，该模式族具有发散角的20重简并特性，即多达20个正交模式共享同一个发散角（见图2c插图展示的20个图样），使得前100阶模式的发散角仅变化18%（作为对比，传统涡旋光变化900%，如图2c所示），从而将自由光通信可复用的空间通道数一举提升了2个数量级（如图2d所示）。

二、创新研究

图2：”超自由度”结构光示意图：（a）三个独立自由度；（b）正交性分析；(c) 与传统模式的发散角对比（前100阶）；(d) 与传统模式的最大传输信道数目对比（系统规模越大，优势越明显）。

该工作中，研究者巧妙利用了“超自由度”结构光的波-迹二象性，即光的波包与几何轨迹相互耦合，从而在传统涡旋光的自由度（中心处OAM）之外，产生了可显著增强发散简并的全新自由度（图2a）：几何轨迹处的子光束OAM、相干态相位（光线簇方位）。研究者首次验证了多个自由度作为信息传输通道的独立、正交性（图2b），并解决了“超自由度”结构光的高效模式识别、高维信息解码的实用化难题。

同时，研究者还揭示了新型载波在发散简并之外的另一个突出优势——大幅度抑制两类误码：1）中心偏移导致误码（信号“1”误为“0”），如图3、图4a所示；2）背景噪声导致误码（信号“0”误为“1”），如图4b所示。在此基础上实现了清晰的图像传输，重建质量显著优于传统涡旋光束，如图5所示。

图3：新型结构光保持光强的中心对称性，显著抑制中心偏移导致的误码（与传统涡旋光对比）

图4：新型结构光（三自由度）与传统涡旋光（阶数间隔分别为1,2,3）的误码率对比：(a) 中心偏移导致误码；（b）背景噪声导致误码

图5：新型结构光（三自由度）与传统涡旋光（阶数间隔分别为1,2,3）的图像传输质量对比（绿色为失真像素，ER为误码率） 

三、前景展望

本文针对涡旋光通信应用的痛点，提出了多重发散简并的光通信载波技术，可与偏振复用、波分复用等现有技术兼容，为下一代密集编码、超大容量光通信网络提供潜在的解决方案。同时，该研究思路可推广到其他类型的波-迹结构光、涡旋光模式族，解锁更为丰富的空间自由度，实现更多重的发散简并，将涡旋光的巨大潜能进一步释放。此外，新型光束多自由度之间的内禀不可分性，或将在量子通信、量子计算等领域获得新的突破。

论文信息：

该研究成果以“Divergence-degenerate spatial multiplexing towards future ultrahigh capacity, low error-rate optical communications”为题在线发表于《Light: Science & Applications》期刊。通讯作者为清华大学精密仪器系、光子测控技术教育部重点实验室付星副教授、柳强教授，第一作者为清华大学博士生万震松。该工作得到了国家自然科学基金委的支持。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00834-4