自由空间光通信是一种以激光为信息载体的无线通信技术，具有容量大、速率高、安全性好等优点，是发展高速空间通信不可或缺的工具，已被广泛地应用于各种通信系统之中，如被动光学遥感、激光雷达、微波光子雷达等。

近年来，随着对光场振幅、频率、时间、偏振等维度资源的开发殆尽，光通信又一次面临着容量危机挑战。为此，光场的空间结构（模态）逐渐被开发，用以解决日益严重的容量瓶颈问题。

尽管通过光场横向调控所得的空间模态已经充分证明了其在经典和量子通信中的可行性，然而到目前为止，光场的另一个重要空间维度——光场的纵向维度，在信息编解码过程中还未被应用。

西北工业大学物理科学与技术学院赵建林教授、李鹏教授团队针对上述问题，提出了一种基于轨道角动量（OAM）模式叠加态纵向调控的编解码方法及实现光场模态纵向调控的超表面。该超表面基于四原子结构的几何相位和传输相位设计，能够实现透射场自旋相关的复振幅调控，进而产生0～15阶OAM模式叠加态，并通过“冻结波”方法实现叠加态的纵向变化。这种纵向变化的横向模式被应用到信息编解码后，在单一信道中实现了模态容量为16³的信息编解码，说明其能够指数级提升信道中的模态容量。

光场纵向维度信息编解码的原理如图1所示，发射端Bob发出的信息被ASCII码编译为多个OAM模式叠加态，该叠加态由两个拓扑荷分别为l₁和l₂的OAM模式叠加而成，光斑呈现出| l₁- l₂|个“花瓣”形状。采用光学冻结波原理将这些OAM叠加态加载到模态纵向变化的光束阵列中进行自由空间传输。接收端Alice获取信息时，可以通过测量z₁、z₂、z₃等不同传输平面的阵列光场模态，并通过正确的解码顺序操作获得信息。

为了证明这种特殊光场的纵向维度编码能力，实验中所用的编码信息为“Northwestern Polytechnical University”，使用ASCII码16进制码元对单词中的每一个字母以及单词与单词之间的空格进行编码，每一个字母对应两个16进制数字，因此编码完整信息需要74个模态来完成光束角向阶数与编码信息的一一对应。

实验采用5×5的阵列光束，并将每束冻结波的纵向调制范围L分为三段，分别对应0～0.4 mm，>0.4～0.8 mm，>0.8～1.2 mm。在单个冻结波信道中，由于纵向分为3段调制，每段均具有16种可用模态，因此单个信道中可传输编码的模态总容量为16³。舍去第25束冻结波的第三段，用剩余冻结波来完成对应信息的编码。

在z₁=0.1 mm，z₂=0.5 mm，z₃=0.9 mm处的模拟结果如图2(a)所示，图中m表示行数，n表示列数，光场强度图左上角的数字表示角向阶数信息。实验结果如图2(b)所示，给出了在z₁=0.1 mm，z₂=0.5 mm，z₃=0.9 mm平面所测量的光场强度分布。

如图2所示，实验测量结果与数值模拟结果相吻合，阵列光束均呈现出按需变化的OAM模式叠加态。在z₁处从第一行开始按Z字形顺序，两个16进制数字为一组进行解码，得到了所传递的信息“Northwestern Polytechnical University”。

需要说明的是，实验中光场的纵向模态变化数目仅为3，而采用论文所提出的这种方法，可以实现更高次的纵向调控，因此这种信道容量增长的指数因子还可进一步提升。

为了提高解码效率，还可以采用分平面成像的办法，一次获取多个纵向平面的光场分布。根据光波的传播特性，如果在单一平面测量光场的复振幅信息，也可通过数值计算的方法获取其它平面的复振幅分布，进而得到多个纵向平面的光场模式。此外，通过引入深度学习的方法，也有望通过单次测量获得纵向编码信息。

本文基于光场偏振态和复振幅独立控制的超表面，实现了阵列冻结波纵向维度上OAM模式叠加态的灵活调控。利用这些模态纵向变化的光场，实验上实现了幂指数级的信道模态扩容，有效提升了信道中的模态容量。

李鹏，西北工业大学物理科学与技术学院教授，博士生导师。在光场多维调控理论技术及人工微结构器件方面取得了创新性研究成果，发表学术论文50余篇，获陕西省自然科学一等奖、陕西高等学校科学技术一等奖等。E-mail：

编辑 | 沈灵灵

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