-封面解读-

      封面展示了水下轨道角动量光通信：多种通信方式及其应用场景。基于轨道角动量模式的水下光通信主要通过复用、编码和广播方式进行通信。封面强调了轨道角动量的复用通信方式，舰船和潜艇之间使用两种轨道角动量模式复用进行水下光通信传输，对比传统单一维度水下光通信实现了成倍的容量提升。此外，封面还展示了舰船与无人潜航器之间基于水下轨道角动量广播的光通信场景，以及空水界面的光通信。轨道角动量模式的引入，为水下光通信的可持续扩容提供了新的解决方案。

原文链接：王健, 王仲阳. 水下轨道角动量光通信[J]. 光学学报, 2024, 44(4): 0400001.

1、研究背景

      水下无线光通信（UWOC）采用光波作为数据信息传输载体，相较于使用声波与射频进行水下通信，具有带宽高、抗干扰能力强和保密性能好等优点。其中，光源和调制方式的选择是影响UWOC系统性能的重要因素。

      通过剪裁光波的空间结构可以得到具有非均匀场分布的结构光，如空间变化的幅度、相位和偏振分布等，这为提升光通信包括水下光通信的容量和丰富通信形式提供了新思路。在多样化的结构光中，携带轨道角动量（OAM）的涡旋光是一种光强呈圆环形分布的特殊结构光，其波前呈螺旋状、中心处为相位奇点且光强为零，独特的空间幅度和相位结构使其广泛应用于光学操控、显微成像、传感测量和量子科学等众多领域。

      目前光波空间维度的OAM模式已被应用于UWOC中，可以在现有水下光通信技术的基础上进一步提升通信容量。近年来，在UWOC中使用OAM模式及其拓展的结构光正在受到越来越多的关注。

2、OAM模式的原理、产生与测量

      OAM模式具有exp(ilθ)螺旋相位因子，其中l（l=0,±1,±2,···）为拓扑电荷数或OAM阶数，θ为方位角，每个光子携带的OAM为l?（?为约化普朗克常数）。图1展示了典型的不同OAM阶数的涡旋光（强度分布、相位分布和螺旋相位结构）。

图1 具有不同拓扑电荷的OAM模式特征（强度分布、相位分布和波前）

      OAM模式的产生关键是生成具有空间螺旋相位分布的光场，方法包括有源与无源两种。其中：有源方法主要利用激光腔直接输出OAM光束，具有输出光束质量良好的优点；无源方法可以利用衍射光学元件、变换光学方法、螺旋相位板、Q板、J板和数字微反射镜等得到OAM光束。

      若要测量OAM模式，通常需要将OAM模式转换为具有平面相位波前的类高斯光束，使用较多的方法是利用具有相反拓扑电荷数(-l)的螺旋相位板或者空间光调制器移除待解调OAM模式的空间螺旋相位因子exp(ilθ)。

3、基于OAM模式的水下无线光通信

      近年来，基于OAM模式的水下光通信已有实验报道，OAM技术拓展了空间维度，为UWOC的发展提供了新思路。基于OAM模式的UWOC通常包含复用、编码和广播3种通信应用场景。

3.1 水下OAM模式复用通信

     不同OAM模式彼此正交，故可以将携带不同信道数据信息的多个OAM模式进行复用以有效提高光通信系统的容量。2021年，本团队提出并演示了一套高速、低成本、紧凑且便携的集成封装OAM模式复用UWOC原型系统。基于该系统，实验通过复用l=+3和l=﹣3两个OAM模式的信道实现了传输速率为1.25 Gbit/s、水下传输距离为6 m的 OAM模式复用通信，如图2所示。

3.2 水下OAM模式编译码通信

      OAM模式的拓扑电荷数理论上可以取值无穷，故可利用不同OAM模式直接进行数据信息编译码，这为提高通信容量提供了一种有效的解决方案。2017年，西安电子科技大学郭立新教授团队所研究的多进制UWOC系统中采用了拉盖尔高斯光束和OAM移位键控（OAMSK），其中每个四元符号对应于一个拓扑电荷数为m的OAM模式，如00→m₁、01→m₂、10→m₃和11→m₄，如图3所示。

图3 多进制OAMSK调制海洋湍流UWOC系统。(a) 四进制OAMSK水下光通信系统； (b) 弱海洋湍流下有效信号能量与传输OAM模式的关系； (c) 信道容量与信噪比的关系

3.3 水下OAM模式广播通信

      利用OAM模式的多值性，将信息同时加载到多个OAM模式上即可实现OAM模式广播通信（一对多通信方式）。2017年，本团队基于光波空间维度（空间相位结构），演示了一种基于OAM模式的水下无线广播通信实验，实现了水下2 m距离广播传输4种OAM模式（OAM_-6、OAM_-3、OAM₊₃、OAM₊₆），每个OAM模式通道携带1.5-Gbaud 8-QAM 正交频分复用（OFDM）信号，如图4所示。

图4 基于OAM模式的水下无线广播通信。(a) 概念及原理示意图；(b) 实验装置图

4、总结与展望

      本文全面总结了近年来水下OAM光通信技术的研究进展。针对水下光通信，重点聚焦基于OAM模式的UWOC，一方面介绍了OAM模式的基本原理及主要产生和测量方法，另一方面详细阐述了水下OAM模式无线光通信的研究进展，包括水下OAM模式复用通信、水下OAM模式编译码通信和水下OAM模式广播通信等。此外，水下OAM模式光通信根据不同场景的通信容量和距离需求，可以结合水下射频通信、声波通信、水下感知技术实现“通感一体化”，有望更好满足未来高速海洋环境通信和高效海洋资源开发的发展需求。

作者简介

      王健，华中科技大学教授、博导，武汉光电国家研究中心副主任。国家杰出青年科学基金获得者。主要从事光场调控、多维光通信、光信号处理、光电子器件与集成和光子集成芯片等方面研究。当选IEEE Fellow、OPTICA Fellow、SPIE Fellow。曾入选国家优秀青年科学基金、长江学者奖励计划青年学者和英国皇家学会牛顿高级学者。承担国家重点研发计划、**科技创新特区等项目。担任美国光学学会会士评选委员会委员、中国光学学会常务理事和IEEE Photonics Society武汉分会副主席。入选2019—2023年度全球前2%顶尖科学家、爱思唯尔2020—2022年度中国高被引学者。第一完成人获教育部自然科学一等奖2次、教育部青年科学奖1次、中国光学学会自然科学一等奖1次和王大珩光学中青年科技人员奖1次。

编辑 | 贾文斌

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