封面 | 轨道角动量编/解码技术—提高信道容量的“新星”

利用光的维度将数字信号进行编码是光通信的重要基础，传统的编码依赖于光的偏振、复振幅、波长/频率、时间等维度来实现大容量通信，如图1所示。随着通信技术的发展以及移动互联网、物联网的兴起，传统的编码方法已经不能满足人们对更大信道容量通信系统的需求。涡旋光束的OAM作为一个新的光学维度，该编码方式具有信道容量大、传输速率高等优点，可解决光学编码中传输容量紧缩的问题。

 图1 光波的物理维度资源

涡旋光束在自由空间中传输时会受到大气衰减和湍流效应等一系列影响，导致通信系统性能降低。其中湍流效应会造成大气折射率的随机起伏，使得接收光信号产生光强起伏、OAM 串扰、光强闪烁、光束漂移、光束扩展等现象，从而降低了光束的传输质量，增加了涡旋光束编码通信的误码率。拓扑荷数l和径向指数p是LG涡旋光束通信系统的两个重要参数，因此研究在接收端如何准确高效地检测出入射LG涡旋光束的l和p具有重要意义。

西安理工大学吴鹏飞教授课题组基于理论推导和数值模拟，对两束LG涡旋光束共轴叠加产生的复合涡旋光束进行编码，通过周期渐变光栅检测后解码，研究结果为拓展OAM模态在信息编/解码领域的应用提供了一定的理论基础。

通过推导的复合涡旋光束光场强度表达式，仿真了与{p₂ = 0, 1, 2, 3; l₂ = 3, 5, 7, 9}、与{p₂ = 0, 1, 2, 3; l₂ = -3, -5, -7, -9}共轴叠加产生的32组复合涡旋光束光强图，如图2所示。光强图呈现明亮的多环状光斑，光强图环数为p = max(p₁, p₂)+1，每环的光斑数为|l₂ - l₁|。采用5位二进制序列对图2的32组光强图进行编码，使编码后的光束依次在自由空间中有序传播。

在接收端通过x轴或y轴方向周期渐变光栅检测出入射光束的OAM模态l和径向模态p，由于周期渐变光栅仅能检测出单束LG涡旋光束的参数，因此可以将32组复合涡旋光束映射转换成32组单束LG涡旋光束，单束LG涡旋光束可以用OAM模态和径向模态的组合表示为|l, p>，其光强分布如图3所示。

当单束LG涡旋光束照射周期渐变光栅时，其远场会呈现出与入射光束阶次相关的衍射场分布，图4是单束LG涡旋光束|lm = +5, 1>照射x轴方向周期渐变光栅的远场衍射光斑图。

对于x轴方向周期渐变光栅，当入射LG涡旋光束l_m为正时，-1、+1衍射级的衍射光斑节线方向分别为左上到右下、左下到右上；而l_m为负时则相反。由图4(d)可以看出，+1衍射级光斑图节线方向为左下到右上，节线个数为5，则可检测出入射LG涡旋光束l_m = +5；图4(e)的0衍射级光斑图中箭头指的黑圈表示0级环数，根据径向模态p = 0级环数-1，可检测出入射LG涡旋光束p = 1。综上可知，入射LG涡旋光束为|l_m = +5, 1>，则对应的复合涡旋光束为，进而可解码为01010。y轴与x轴方向周期渐变光栅检测及解码原理相似，具体见文中。

科学编辑 | 吴鹏飞；王小蝶

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