中山大学电子与信息工程学院余思远团队在涡旋光通信集成器件及光纤通信系统取得新进展。他们基于团队发展的螺旋坐标光学理论而研制出的涡旋光模式分选器集成模块、以及独特设计的新型环芯光纤，采用8个涡旋（OAM）模式复用并同时结合波分复用、模分复用和偏振复用的多维复用技术，实验演示了50 km环芯光纤传输的涡旋光通信链路系统。

涡旋光是一类携带有轨道角动量（OAM）的空间结构光场，不同涡旋光场模态彼此正交，构成一个理论上具有无限维度的态空间，因而在经典光通信和量子通信等领域具有极大的应用潜力。基于涡旋光的OAM 模分复用通信系统利用不同OAM 模式作为独立的信道进行并行的信号传输，从而使通信系统的传输容量得到数量级扩增。该系统中最为核心的功能是OAM 复用/解复用，也称OAM 模式分选（OAM mode sorting），可以对不同OAM 模式在空间上进行共轴传输前/后的合束/分离，使得不同模式携带的信息可以被并行处理和探测。

已有的典型方案依赖于复杂光路系统，如级联多个马赫增德干涉仪或通过模式投影测量来实现OAM模式分选，存在复杂度和损耗随模式数的增大而增大的可扩展性问题，难以满足实际光信息传输系统的要求。因而集成高效易扩展的OAM复用/解复用原理及模式分选器件一直以来是该领域的研究重点和难点。

图1 (a) 涡旋光模式分选示意图；(b) 涡旋光分选器。

在基于螺旋坐标变换的高效率和高分辨率涡旋光模式分选新理论的基础上【Physical Review Letters 120, 193904 (2018)】，余思远团队依托中山大学光电材料与技术国家重点实验室的先进光电子集成工艺平台，采用衍射光学元件微纳加工技术，研制出集成化的涡旋光模式分选器（图1）。通过将构成螺旋变换的光学变换器和相位修正器两个元件集成到一个石英片的正反两个面上，对变换相位的非傍轴修正实现了高分辨的涡旋模式分选效果（相邻阶最大串扰-13 dB）。进一步研制了单轴光学傅立叶变换器，实现了不同OAM阶数的模式与空间线性排列的圆形高斯模式之间的双向转换，高度兼容光纤信息系统。

研究团队利用涡旋光分选器开展大容量长距离光信息传输实验，首次实现了长达50 km的涡旋光环芯光纤通信链路（图2），通过8个OAM模式复用并同时结合波分复用、模分复用和偏振复用的多维复用技术实现了2.56 Tbit/s的传输容量、10.24 bit/s/Hz的频谱效率和高达512 bit/s/Hz-km的频谱效率-距离乘积。截止该研究成果发表时，这项工作刷新了已报道的涡旋光通信系统最长传输距离和频谱效率-距离乘积纪录。

图2 采用涡旋光分选器与团队设计的新型环芯光纤搭建的相干光通信系统，实现了50 km长距离的OAM模式复用、波分复用和偏振复用的多维通信复用技术。【注：光纤由长飞光纤光缆股份有 限公司拉制。器件往往可以互换使用。作为对比，OAM模分复用采用基于空间光调制器（SLM）的空间光路方案，OAM模分解复用部分采用团队研制的涡旋光分选器，大大简化解复用的链路系统。】

本研究成果以“Compact and high-performance vortex mode sorter for multi-dimensional multiplexed fiber communication systems”为题在线发表于Optica上，闻远辉博士生为第一作者，余思远教授主导组织开展此项研究工作，团队骨干陈钰杰副教授（负责集成器件）和刘洁副教授（负责通信系统）为共同通讯作者。

该工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省珠江人才计划本土创新科研团队项目以及中山大学光电材料与技术国家重点实验室等的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.385590