光学学报, 2024, 44 (4): 0400001, 网络出版: 2024-02-23   

水下轨道角动量光通信 下载: 594次封面文章特邀综述

Underwater Orbital Angular Momentum Optical Communications
王健 1,2,*王仲阳 1,2
作者单位
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心,湖北 武汉 430074
2 湖北光谷实验室,湖北 武汉 430074
摘要
回顾了水下轨道角动量(OAM)模式光通信的研究进展,简要介绍了OAM模式的原理和产生、测量方法,全面综述了水下OAM模式的多种光通信方式(编码、复用、广播)以及涉及空水界面的光通信和快速自动对准辅助的光通信,同时介绍了水下其他结构光通信和基于OAM模式的复杂介质光通信。讨论了该领域的未来发展趋势。作为一种空间结构光场,将OAM模式引入水下光通信可开发空间新维度资源,为光通信可持续扩容提供新途径,提高无线光通信在水下短距互连的优势;OAM模式与水下传统通信方式及水下感知技术相结合,有望更好地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。
Abstract
Significance

The ocean occupies more than 70% of the earth's surface, which has vast area and rich resources. Research and exploration of the ocean have never ended. Due to the complexity and variability of the underwater environment, the ocean has not yet been fully explored and utilized. Further exploration of the underwater environment plays an important role in climate change, oil and gas detection, disaster early-warning, biological research, and other fields. Underwater wireless communication ensures information transmission and interconnection between unmanned devices in the underwater environment during ocean exploration. As the demand for underwater data transmission increases, high-bandwidth and low-latency underwater communication has become a key technology for exploring and utilizing the ocean at a deeper level.

Commonly used carriers for underwater wireless communications include sound waves, electromagnetic waves (e.g. radio frequencies), and light waves. Each of the three carriers has its own characteristics. Although sound waves, as a traditional underwater communication method, have the advantage of a wide transmission range and have been widely used, the problems of relatively narrow bandwidth and longer delay in the medium limit their applications. Electromagnetic waves are difficult to be widely used in underwater environments as they require complicated equipment and short transmission distances. As a new type of underwater communication technology, underwater wireless optical communication has gained widespread attention due to its advantages such as larger transmission bandwidth, better anti-interference ability, lower latency, and lower costs. Underwater wireless optical communication refers to an underwater communication system that uses light waves as the transmission carrier. In recent years, underwater wireless optical communication has made considerable progress in the transmission capacity through the expansion and utilization of multiple physical dimensions of light waves, such as wavelength, time, amplitude, phase, and polarization. However, there are challenges in further improving the transmission capacity. The exploration of the spatial dimension of light waves has become a feasible way for capacity scaling.

Structured light refers to a special light field that exploits the spatial dimension by tailoring the spatial amplitude, phase, and polarization distribution of light waves to obtain the required characteristics. Especially, structured light with a spiral phase front carrying orbital angular momentum (OAM) has attracted interest in many applications such as optical manipulation, tweezers, sensors, metrology, microscopy, imaging, and quantum science. OAM-carrying structured light appears spatially as an annular intensity distribution due to phase singularity at the beam center. Since OAM-carrying structured light can accommodate multiple orthogonal spatial modes, it has important advantages in expanding the capacity of underwater wireless optical communication. We comprehensively reviewed the advances in underwater OAM optical communications.

Progress

We first introduced the development history of three types of underwater wireless communication technology, including underwater acoustic communication, underwater electromagnetic (radio frequency) communication, and underwater optical communication, and summarized their respective advantages and disadvantages. Then, we focused on underwater wireless optical communication using OAM modes, with their basic principle, generation, and measurement methods introduced. The research progress of underwater OAM mode wireless optical communication was comprehensively reviewed, including underwater OAM mode encoding and decoding communication, underwater OAM mode multiplexing communication, and underwater OAM mode broadcasting communication. Moreover, OAM mode optical communications involving air-water interface ("water-air-water" crossing air-water medium, total reflection by "air-water" interface) and fast auto-alignment assisted OAM mode optical communications were presented. In addition to the OAM mode, other underwater structured light (e.g. Bessel beam and Ince-Gaussian beam) communications were also introduced. Additionally, complex medium optical communications using OAM modes assisted by adaptive turbulence compensation and fast auto-alignment were presented.

Conclusions and Prospects

OAM mode exploits the spatial dimension of light waves, providing a new way for the sustainable capacity expansion of underwater wireless optical communication. The future development trend of underwater wireless optical communication is as follows. From the spatial mode point of view, more flexible and powerful spatial light manipulation, a large number of OAM modes, more general structured light accessing the full spatial dimension (spatial amplitude, spatial phase, and spatial polarization), and full use of multiple dimensions are highly desired. From the underwater communication point of view, complex channel modeling, high capacity, long distance, and high robustness are highly expected. Key devices [lasers, modulators, detectors, converters, and (de)multiplexers] and techniques (high speed, high power, high sensitivity, high efficiency, high scalability, and high integration) are of great importance. Meanwhile, from the perspective of future underwater wireless optical communication, on the one hand, it is expected to be combined with electromagnetic (e.g. RF) communication and acoustic communication. According to different application scenarios and different capacity and distance requirements, one or more suitable communication methods and their combinations can be selected. On the other hand, the integration of underwater wireless optical communication technology and underwater perception technology (i.e. integrated communication and perception) is also an important research direction in the future, which is of great significance for improving the development capacity of marine resources, developing the marine economy, protecting the marine ecological environment, and serving the strategy of becoming a powerful marine country.

1 引言

全球气候变化及陆地资源日益枯竭使得对海洋的研究和开发已成为大势所趋,其中围绕水下无线通信(UWC)系统的研究受到了重要关注。水下无线通信指的是通过使用无线载波在水下环境中进行数据的传输,其中无线载波可以是声波、电磁波(如低频射频波)、光波等1。声波传播速度较慢、频率较低的特点使得高速、低延迟的数据传输难以实现,电磁波(如低频射频波)在水下的传输需要使用复杂设备,导致灵活性低和传输距离短等问题,难以得到广泛应用2-4。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波进行水下通信,具有更大的带宽、更好的抗干扰能力和更好的保密性能等优点5,近年来逐渐成为水下无线通信的研究热点。

水下无线光通信也面临很多问题,携带数据信息的光波会受到水下复杂介质环境(如海洋环境)中湍流、盐度、温度、浊度、海底障碍物等因素的影响,从而导致信号的衰落和传输质量的下降6-7。同时,海水中存在着大量的溶解物质和悬浮体,在不同的海域、水深以及季节等情况下的海水特性不同,从而导致光波在传输过程中发生脉冲的衰减和展宽,并产生误码,最终影响传输数据的正确性和传输距离8,这种传输介质称为海水信道,其特性与大气、光纤信道不同,对于不同波长光波的衰减也不同。为了在更大衰减长度的海水信道中实现更大容量的通信,光源和调制方式的选择是影响水下无线光通信系统性能的重要因素。除此之外,也可以考虑选择光波的空间结构。目前的水下无线光通信系统主要使用的是高斯光,其具有近似均匀的场分布(束腰位置)。实际上,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、偏振分布等,其相比于高斯光开发了光波空间新维度资源,因此为提升光通信(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,中心为相位奇点,中心光强为零9。涡旋光独特的空间幅度和相位结构使其在光学操控、显微成像、传感测量、量子科学等众多领域获得了广泛应用10。特别地,不同于圆偏振光携带的自旋角动量(SAM)仅有两个取值,涡旋光携带的OAM理论上可以为任意整数取值,且相互之间具有正交性。与光波波长维度的多值性和正交性类似,利用光波空间维度的OAM模式也可以携带信息并应用于光通信中11-12。目前OAM模式已被应用于自由空间光通信13、光纤通信14、片上光互连15。与此同时,OAM模式也可以应用于水下无线光通信中。例如:在2.96 m的水下信道中,利用螺旋相位板产生和检测涡旋光,在单路激光器直接调制频率为1.5 GHz的情况下,通过两路OAM模式的复用实现了3 Gbit/s的数据传输16;利用空间光调制器(SLM)产生和探测涡旋光,在1.2 m水槽中通过4路OAM模式复用和10 GHz的激光器直接调制,实现了40 Gbit/s的数据传输17。这些实验验证了使用OAM模式可以在现有水下光通信技术基础上进一步提升通信容量。近年来,在水下无线光通信中使用OAM模式及其拓展的结构光正在受到越来越多的关注。

本文聚焦基于OAM模式的水下无线光通信技术。在简要介绍水下无线通信系统的基本概念和不同种类的水下无线通信技术(水下声波、电磁波和光波通信)后,重点对基于OAM模式的水下无线光通信技术进行了详细阐述,系统回顾了各种水下OAM模式光通信的实验进展,同时也介绍了水下其他结构光通信和复杂介质OAM模式光通信。最后,简要讨论了水下OAM模式光通信的未来发展趋势,并对其应用前景进行了展望。

2 水下无线通信

水下无线通信技术是指不需要借助光纤等传输介质,使用声波、电磁波(如低频射频波)和光波等无线载波在水中进行数据传输。其中,水下声波通信(UAC)被视为几十千米量级长距离通信最实用的方式18,是水下长距离高延迟定位中最常用的通信手段,其最早的使用可以追溯到15世纪达·芬奇使用声波来估计船只的距离。电磁波(如低频射频波)通信可以追溯到19世纪无线电在**上用莫斯码通信,电磁波在陆地和水下的传播有较大差异,陆地通信中电磁波传播相对容易控制,水下环境复杂多变且海水中电磁波衰减严重,主要可进行水下短距离通信,其速率通常高于水声通信。不过,水声通信和电磁波通信都存在着有限带宽和数据传输速率的问题,因此,水下无线光通信作为有效的替代方案正在受到广泛关注,其高速和低延时特性可以满足日益增长的水下通信容量和带宽需求。下面将从各自的发展历程和优缺点等方面对这三种水下通信方式进行介绍。

2.1 水下声波通信

由于具有长距离通信的优势,水下声波通信在过去成为了最常用的水下通信方式19-39,其发展历程被简单汇总在图1中。1982年,Quazi等19利用单边带压缩载波振幅调制技术创造了第一个水下声学链接装置,其频带范围在8~15 kHz之间,通信质量比较差。1995年,Zielinski等[21]在20 m水深处实现了13 km范围内8 kbit/s的数据传输。1996年,Stojanovic[37]提出了一个传输速率达到40 kbit/s的水下声波通信系统。2005年,Ochi等22使用32-QAM格式实现了125 kbit/s的传输速率。2020年,Esmaiel等23使用一种新的传输原理TR-NOMA来减小水下声学通道的时间和频率色散。2021年,Qasem等24提出了一种DL-CIM-SS原理,在提升能量利用效率和降低误码率的情况下提高水下声波通信的传输速率。水下声波通信虽然有较大的传输距离(数十km),是常用的水下通信方式,但是也存在着一些限制,比如载波频率较低引起的带宽受限、数据传输速率较低40;声波在水中的传播速度较低,导致时延较大;声学收发器较为笨重,能耗高且价格昂贵41,同时对海洋中的生物如哺乳动物和鱼类也有危害性42

图 1. 水下声波通信的发展历程19-24

Fig. 1. Development history of underwater acoustic communication[19-24]

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2.2 水下电磁波通信

水下声波通信的数据传输速率受限且时延较大,水下电磁波通信43-59作为另一种水下通信方案被提出,其发展历程简要汇总在图2中。1967年,Moore43提出一个基于微波的无线传输系统,在海面上实现了数十km的数据传输。2004年,Al-Shamma′a等2提出了一种基于微波的水下无线传输系统,在传输能量为100 W的情况下实现了85 m距离的数据传输。2006年,Shaw等44使用类似的方法在90 m的距离内实现了500 kbit/s的数据传输。2009年,Uribe等45在传输距离为100 m的条件下将传输速率提升到10 MHz。2012年,Lloret等46在2.4 GHz ISM频段使用BPSK、QPSK、CCK等多种调制格式,在16~17 cm的范围内实现11 Mbit/s的传输速率。2019年,Ryecroft等47使用433 MHz的射频频段,在7 m距离下实现了1.2 kbit/s的数据传输,在5 m的距离下实现了25 kbit/s的数据传输。然而,高频波段的射频在水中的损耗较大,这限制了射频通信的距离,只能在较短距离范围内实现Mbit/s的数据传输60。同时,为了补偿传输过程中的损失,射频传输的天线较大,传输功率较高25

图 2. 水下电磁波通信的发展历程243-47

Fig. 2. Development history of underwater electromagnetic communication[2, 43-47]

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2.3 水下光波通信

由于水下声波通信和水下电磁波通信都存在传输能量高、带宽小等问题,可以使用具有大带宽和低延时的光波在有限范围内进行水下无线光通信。用于水下无线光通信的光源主要包括蓝绿光发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。水下无线光通信目前已经有很多研究工作61-71图3给出其发展历程。1963年,Duntley61发现450~550 nm蓝绿光波段在水中的损耗较小,指出了水下光通信的通信窗口。2008年,Hanson等62使用532 nm的LD,将水下无线光通信的传输速率突破至超Gbit/s量级。2013年,Cossu等63使用470 nm的LED阵列在2.5 m传输距离内实现了速率为58 Mbit/s的传输。2015年,Oubei等64使用16-QAM OFDM格式在5.4 m范围内实现了速率为4.8 Gbit/s的传输。2018年,Fei等65使用DFT调制格式在15 m范围内实现了速率为7.33 Gbit/s的传输。2019年,Wang等66使用32-QAM OFDM格式和MPPC接收器在21 m范围内实现速率为312.03 Mbit/s的通信。2021年,Du等67使用DFT-S DMT调制格式在50 m范围内实现速率为5 Gbit/s的传播。2023年,Du等68使用I-SC-FDM格式和SWI-DNN均衡器在90 m距离下实现了速率为660 Mbit/s的传输。

图 3. 水下无线光通信的发展历程2561-68

Fig. 3. Development history of underwater wireless optical communication[25, 61-68]

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除了图3所示的发展历程外,水下无线光通信在近几年发展迅速,取得了较大突破,表1详细地列举了近10年水下无线光通信的发展情况,可以看出水下无线光通信在传输距离和数据传输速率上取得的重要进展,多种频谱效率更高的调制格式也被提出和利用。从表1可以看出,水下无线光通信可以实现超Gbit/s量级的传输速率,传输距离超100 m的通信也得以实现。由于光波的传播速度快,水下无线光通信的时延非常小。同时,水下无线光通信使用收发器[如LED、LD和光电探测器(PD)]等,与水下声波通信和水下电磁波通信相比功耗较低,成本也更具优势。表2对三种主要的水下无线通信技术进行了比较。

表 1. 水下无线光通信近10年的发展情况

Table 1. Development of underwater wireless optical communication in past decade

YearSourceSchemeDate rateDistance /m

Water

type

Optical powerPDBit error rate (BER)Ref. No
2013470 nm LEDDMT58 Mbit/s2.5Municipal water10 WAPD<10-963
2014421 nm LDN/A2.488 Gbit/s1.7Harbour water30 mWPINError-free72
2015450 nm LD1-QAM-OFDM4.8 Gbit/s5.4N/A15 mWAPD2.6×10-364
2016450 nm LD16OAM-OFDM3.2 Gbit/s6.6Tap water15 mWAPD6.83×10-473
2017520 nm LDOOK2.7 Gbit/s34.5Tap water19.4 mWAPD2×10-674
2018448 nm LEDNRZ-OOK25 Mbit/s10Tap water1 WAPD1×10-475
2019457 nm LED128QAM-SGS2.534 Gbit/s1.2N/AN/APIN<3.8×10-376
2019457 nm LED64QAM-DMT3.075 Gbit/s1.2N/AN/APIN<3.8×10-377
2019520 nm LDNRZ-OOK500 Mbit/s100Tap water7.25 mWAPD2.5×10-378
2019450 nm LDNRZ-OOK2.5 Gbit/s60Tap water50 mWAPD3.5×10-379
2019520 nm LD32QAM-OFDM312.03 Mbit/s21Tap water<15 mWMPPC<3.8×10-366
2020450 nm LDNRZ-OOK2 Mbit/s117Tap water22.9 mWSPAD5.31×10-480
2020450 nm LDNRZ-OOK500 bit/s144Tap water22.9 mWSPAD1.89×10-380
2020520 nm LD32-QAM3.31 Gbit/s56Tap water17.8 mWAPD<3.8×10-381
2021450 nm laserDFT-S DMT5 Gbit/s50Coastal ocean16.18 mWAPD<3.8×10-367
2022450 nm LDOOK3 Gbit/s100.6Coastal ocean14.99 mWPMT<3.8×10-382
2023450 nm LDI-SC-FDM660 Mbit/s90Pool188.8 mWPMT<3.8×10-368

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表 2. 三种水下无线通信技术的比较25

Table 2. Comparison of three underwater wireless communication technologies[25]

Communication technologyAcoustic communicationRF communicationOptical communication
Rangekm scale10-100 m100-200 m
Data rate<10 kbit/s<0.1 Gbit/s<40 Gbit/s
Speed1500 m/s2.25×108 m/s2.25×108 m/s
Frequency10 Hz-1 MHzMHz scale1012-1015 Hz
BandwidthkHz scaleMHz scaleMHz-GHz scale
ConsumptionLowHighLow
CostHighHighLow
Antenna size0.1 m0.5 m0.1 m
LatencyHighModerateLow
BiohazardYesNoNo

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3 基于OAM模式的水下无线光通信

在过去几十年里,通过利用光波的波长、幅度、相位、时间、偏振等传统维度,水下无线光通信技术在提高通信容量方面取得了重要进展,不过随着这些传统维度开发殆尽,进一步增加通信容量将面临严峻挑战。探索光波的空间新维度为进一步增加通信容量提供了一种重要解决途径。通过调控光波空间维度和剪裁光波空间结构可以得到结构光,其中包括具有螺旋相位波前携带OAM的涡旋光以及拓展的具有空间变化幅度、相位、偏振分布的广义结构光。相比光波传统维度,OAM模式开发了空间新维度。一方面,OAM模式具有多值性和正交性特点,即OAM可以有很多取值且两两相互正交,可以像其他维度一样用于信息编码和作为载波进行信息复用;另一方面,OAM模式空间维度与光波传统维度相互兼容,即基于OAM模式的光通信技术可以与传统光通信技术有机融合。因此,基于OAM模式的水下无线光通信技术可以在现有水下无线光通信技术基础上进一步进行通信容量扩容。

3.1 OAM模式原理及产生测量方法

OAM模式是一种具有螺旋相位波前的特殊结构光,相比于高斯光(束腰位置为平面波前),其空间相位结构被调控,对应地也产生了被剪裁的空间幅度分布。OAM模式具有expiθ螺旋相位因子,其中𝓁为拓扑电荷数或OAM阶数(𝓁=0,±1,±2,),θ为方位角,每个光子携带的OAM为为约化普朗克常数)。OAM模式的螺旋相位结构使得中心为相位奇点,因此呈现出中心光场强度为零的环状光强分布,其具有螺旋相位结构,因而也被称为涡旋光,图4所示为典型的不同OAM阶数的涡旋光(强度分布、相位分布、螺旋相位结构)。常见的携带OAM的光束有多种类型,如拉盖尔-高斯光束、贝塞尔-高斯光束、完美涡旋光束等。

图 4. 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)

Fig. 4. Characteristics of OAM modes with different topological charges (intensity distribution, phase distribution, and wavefront)

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OAM模式的产生关键是要生成具有空间螺旋相位分布的光场,产生方法包括有源与无源两种。有源方法主要利用激光腔直接输出OAM光束,该方法具有良好的光束质量83-84;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(Q-plate)、J板(J-plate)、数字微反射镜(DMD)、空间光调制器(SLM)、光纤器件、光子集成器件、超材料、超表面等85-93,无源方法的可控性强,实现便捷,方式多样。

产生OAM模式后,可以利用不同的OAM模式进行编码通信,也可以利用不同的OAM模式作为不同的载波携带各自信息进行复用通信,还可以利用不同的OAM模式进行一对多的广播通信。OAM模式通信的接收端通常需要将OAM模式转换为常规具有平面相位波前的类高斯光束,这种转换一方面可以与现有高斯光通信系统相兼容,另一方面也是最直接的解调OAM模式的方法,因为解调后的类高斯光束中心为亮斑,易于从其他OAM模式中滤波出来。目前,使用比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SLM移除待解调OAM模式的空间螺旋相位因子expi𝓁θ,这样即可实现待解调OAM模式到类高斯模式的转换和测量。在OAM模式复用通信中,也可以利用可扩展的多通道OAM模式复用解复用器更加高效地实现OAM模式的产生、复用、解复用、检测。

3.2 基于OAM模式的水下无线光通信研究进展

在以往的文献中,OAM技术已被报道并广泛应用于自由空间、光纤、芯片等场景的大容量光通信和互连中11-1594-98。近年来,基于OAM模式的水下蓝绿光通信也有实验报道16-17,OAM技术拓展了空间维度,其为水下无线光通信的发展提供了新思路。

表3列举了近年来基于OAM模式水下无线光通信的相关研究成果316-1799-105,其中详细给出了不同实验所使用的光源类型、调制格式、传输距离、水下传输环境、OAM阶数、传输衰减等参数以及实验所得到的最高传输速率和比特误码率。对于基于OAM模式的水下无线光通信系统,表3所示的链路传输速率最高可达40 Gbit/s17,比特误码率最低可达5×10-7[17,使用的OAM模式数量最多可达4个1799101,传输最长距离可达55 m102,实现了实时通信实验103105。总的来说,基于OAM模式的水下无线光通信通过拓展光波空间维度,可以有效提高系统传输容量,具有潜在的发展空间。接下来将对基于OAM模式的水下无线光通信系统在各种场景下的应用进展进行详细介绍。

表 3. 近年来基于OAM模式的水下无线光通信研究成果

Table 3. Summary of recent underwater wireless optical communication achievements using OAM modes

YearSourceSchemeData rateDistanceWater typeTopological chargeAttenuation /dBBERRef. No
2016445 nm LDNRZ-OOK3 Gbit/s2.96 mTurbid water±8352.073×10-416
2016532 nm LDOOK40 Gbit/s1.2 mTap water±3, ±12.55×10-717
2017450 nm LDNRZ-OOK12 Gbit/s3 mDeionized water±8, ±4N/A2.06×10-499
2017520 nm LD16-QAM1.4 GBaud2 mTap water+351×10-3100
2017520 nm LD8-QAM1.5 GBaud3 mTap water±6, ±351×10-3101
2018520 nm LD16-QAM1.08 Gbit/s2 mTap water+1, +3, +5N/A1×10-43
2020532 nm LDTwisted photonsN/A55 mN/A-2, -3, +340N/A102
2021520 nm LDReal-time OOK1.25 Gbit/s6 mTap water±3N/A1.5×10-2103
2022520 nm LDQPSK4 Gbit/s2 mTap water±323.8×10-3104
2023488 nm LDReal-time OOK20 Mbit/s9 mN/A±3371.26×10-3105

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3.2.1 水下OAM模式编译码通信

传统的OOK、BPSK、QPSK、QAM等调制格式信号可以看成是利用光波的幅度和相位维度(复振幅维度)进行编译码,类似地,也可以利用光波的空间维度进行编译码。由于OAM模式的拓扑电荷数理论上可以取值无穷,利用不同OAM模式直接进行数据信息编译码为提高通信容量提供了一种有效解决方案。

利用光波多种OAM模式实现水下OAM模式编译码通信已有研究报道。2017年,Wang等106在多进制水下无线光通信系统中采用拉盖尔-高斯光束和轨道角动量移位键控(OAMSK)调制,研究了弱海洋湍流通道,分别推导了基于OAMSK调制的水下无线光通信系统的符号误码率和信道容量的解析表达式,并使用最佳模式间隔详细分析了该多进制水下无线光通信系统在不同弱湍流条件下的符号误码率性能和通道容量。图5(a)所示为使用四元OAMSK调制/解调的水下无线光通信系统的工作原理。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→m3,11→m4)。在发射端,在一个符号周期T内,OAM模式为m=0的光束(高斯光束)被OAM模式选择模块选择性地发射到一个可编程的SLM上。经SLM的调制后,携带2 bit信息的时变光束通过湍流的水下无线光通信信道发送到接收器,传输过程中将受到海洋湍流的干扰。在接收端,一个OAM模式mii=1,2,3,4)将被解调,并通过在SLM中引入相反的螺旋相位全息图将-mi转换成0。经解调后,OAM模式为0的有效光束和干扰光束将被探测和采样。具有最大采样值的符号可以由判决装置确定为原始发射符号。因此,原始的四元符号可以被逐一恢复。图5(b)显示了有效信号能量随OAM模式m的变化,可以看出,随着m的增加,在三种弱湍流条件下,有效能量的值会降低。图5(c)给出了基于OAMSK调制的水下无线光通信系统的信道容量与信噪比的关系。可以看出,随着信噪比的增加,信道容量起初近似呈线性增加,然后达到饱和状态,这证实了所提出信道容量模型的正确性。

图 5. 多进制 OAMSK调制的海洋湍流水下无线光通信系统106。(a)四进制OAMSK调制的水下无线光通信系统;(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

Fig. 5. Underwater wireless optical communication system using multi-ary OAMSK modulation over ocean turbulence[106]. (a) Quaternary OAMSK modulation-based underwater wireless optical communication system; (b) effective signal energy versus transmitted OAM mode under weak ocean turbulence; (c) channel capacity versus signal-to-noise ratio

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2018年,Cui等107研究了一个使用卷积神经网络(CNN)的UOC-OAM-SK解码器,模拟了8种叠加的拉盖尔-高斯(LG)光束作为三进制OAM-SK编码器,并模拟了光波在海洋中的传输。图6(a)给出了UOC-OAM-SK系统示意图,用户信息在计算机中被编码,并在SLM中按照密码本的要求转变成图样。LG光束的n种叠加被用来编码,代表的是每个图案的log2 n比特。来自船舶或潜艇的传输光束在海洋湍流通道中传播,然后被一个电荷耦合器件(CCD)接收器捕获。捕获的光束强度模式被传输到计算机进行解码。图6(b)显示了在Cn2由温度主导的情况下,使用CNN和共轭模式排序的解码器准确率与距离的关系曲线。对于共轭模式排序方法,实验重复该程序5000次以计算平均准确率。共轭模式排序方法在弱湍流下表现良好,但当湍流变强时,其性能迅速劣化。此外,CNN在所有情况下都表现出近100%的高准确率,而且训练数据库的准确率略高于测试数据库。结果表明,使用CNN的解码器在海洋湍流下的表现优于传统的共轭模式排序方法。图6(c)显示了不同训练集训练的CNN确定未知湍流水平的能力。仿真结果显示,使用CNN的解码器在几十m的距离内或在弱到中等的湍流下表现出优异的性能,解码器具有很高的准确度(接近100%),在弱-中度湍流下,80 m内的准确度高于95%。

图 6. 海洋湍流通道下基于机器学习的自适应OAM移位键控解码器分析107。(a) 系统示意图;(b)三种环境下准确率与传输距离的关系;(c) 弱到中等湍流下的结果准确性

Fig. 6. Analysis of adaptive OAM shift keying decoder based on machine learning under oceanic turbulence channels[107]. (a) System schematic diagram; (b) accuracy varying with transmission distance under three different environments; (c) accuracy under weak-to-moderate turbulence

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2019年,Cui等108通过实验证明了基于CNN的16进制OAMSK解码器在水下无线光通信系统中的性能。该实验在一个充满流动咸水的1 m水箱中验证了OAMSK系统的解码准确率。海洋湍流通过SLM随机相位屏来模拟。图7(a)给出了使用CNN解码器的OAM模式水下无线光通信系统的实验装置图。在发射端中,一束532 nm的高斯光由低噪声激光器产生,在通过一个扩展器后,光斑尺寸被扩展10倍。使用计算机来控制SLM,并将MATLAB上创建的图案发送到SLM上。在接收端,接收的光束经过透镜后被送到CCD,以获取接收光束强度的图像。然后,这些图像被发送到计算机,用于训练和测试CNN。图7(b)给出了解码器在浑浊的盐水中的测试结果。对于A1和B组,解码器在浊水中的精确度高于99.50%。增加像素数会使A1和B组的解码准确率略有提高。图7(c)给出解码器在不同强度的海洋湍流下的解码准确率,可以看出:当湍流较弱(T1)时,像素数为48×48和64×64的解码准确率可以超过99.66%;当湍流变强时,解码准确率迅速下降。当湍流变强时,增加像素数可以在一定程度上提高准确率。

图 7. 基于机器学习的OAM移位键控解码器在水下信道中的实验研究108。(a) 实验装置;(b) 浑浊盐水下OAM解码准确率测试结果;(c) 不同海洋湍流下OAM解码准确率测试结果

Fig. 7. Experimental study of machine-learning-based OAM shift keying decoders in underwater channels[108]. (a) Experimental setup; (b) testing results for OAM decoding accuracy in turbid salty water; (c) testing results for OAM decoding accuracy under different ocean turbulences

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2023年,Wang等109提出了一种使用CNN图像识别器作为解调器的相干解调UWOC-OAM-SK系统。与非相干系统相比,在接收器处从OAMSK信号中解调出OAM模式之前,所提出的系统可以获得具有更高图像对比度和更多模式特征的检测图像,因此具有更高的可靠性。此外,该系统可以识别相互共轭的OAM模式,这可以大大节省OAM通信中的复用通道资源。图8(a)给出了使用CNN图像识别器作为解调器的相干解调UWOC-OAM-SK系统的原理图。在计算机中对信息进行编码,然后将每个编码对应的相位全息图加载到SLM上,同时,发射器处的激光器发射固定波长的高斯光束,经过偏振和准直后,经过SLM产生对应于OAM模式的LG光束。接收器产生一个相同波长的基模高斯光束,其与LG光束在合束器(BC)中发生干涉,然后被CCD接收。获取的干涉光的光强图像传输到计算机中,通过CNN解调器,将光强图像分类为相应的代码,最后恢复传输的信息。图8(b)与(c)分别给出了传输60 m条件下和固定水质下传输解调的准确率。从图8(b)可以看出,使用CNN图像识别器作为解调器的相干解调UWOC-OAM-SK系统,在强湍流强度为Cn2=5×10-15K2m-2/3的纯水中,系统的解调准确率高于97%。在图8(c)中,随着传输距离的增加,解调准确率的下降曲线明显比图8(b)中陡峭,这是因为:传输距离的增加导致涡旋光束的半径变大,从而使CCD获取的干涉光的强度图像也发生变化。

图 8. 基于卷积神经网络的相干解调水下无线光通信系统109。(a)实验装置示意图; (b)传输60 m条件下的解调准确率;(c)固定水质下的传输解调准确率

Fig. 8. Coherent demodulated underwater wireless optical communication system based on convolutional neural network[109]. (a) Schematic diagram of experimental setup;(b) accuracy of demodulation over 60 m transmission distance; (c) transmission demodulation accuracy in fixed water

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3.2.2 水下OAM模式复用通信

为了提高水下光通信的容量,另一个有效的方法是利用空间维度进行复用通信,即空分复用(SDM)技术。基于OAM模式的复用通信可以理解为SDM技术的一种,其利用不同的OAM模式作为不同信道的数据信息载波,类似波长维度的波分复用技术,由于不同OAM模式彼此正交,因此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。

2016年,Baghdady等16使用两个445 nm的LD在2.96 m的距离上演示了一个水下无线光通信链路,并采用OAM模式来实现复用通信,完成了水下3 Gbit/s OOK-NRZ的信息传输。实验装置如图9(a)和(b)所示,包括两个复用通道,在每个通道上,使用任意波形发生器(AWG)生成一个32 bit伪随机OOK-NRZ调制信号。在每个LD通道引入一个螺旋相位板(准直后扩束前),以产生相应的OAM模式,实验中两个OAM模式具有相反的拓扑电荷数(m=±8)。接收器使用一个分束比为50∶50的非偏振分束器,将输入的光束分成两路,并在每路放置一个相反的螺旋相位板以实现OAM模式的解调探测。图9(c)给出了两个OAM模式(m=±8)同时复用传输时通道1(上)和通道2(下)的眼图,实验也给出了每个通道在1 Gbit/s(左)和1.5 Gbit/s(右)传输速率下的眼图,传输环境为衰减系数c=0.4128 m-1的水下信道,平均误码率达2.073×10-4

图 9. 水下OAM模式复用光通信链路16。(a)实验装置图;(b)发射机和接收机照片;(c)眼图

Fig. 9. Underwater OAM mode multiplexing optical communication link[16]. (a) Experimental setup; (b) photographs of transmitter and receiver; (c) eye diagrams

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2016年,Ren等17通过复用和传输4个绿光OAM模式,实现水下光通信传输链路容量高达40 Gbit/s。在实验中,系统研究了各种水下环境(例如散射、浊度、水流和热梯度)对光束质量和系统性能的影响,研究发现热梯度引起的光束质量劣化和失真最为严重(模式失真和光束漂移),浊度引起的衰减最大。对于OAM模式复用通信的每个数据信道,实验中给出了两种不同的数据产生方式:一种是先通过红外光(1064 nm)调制产生10 Gbit/s信号,再通过周期极化反转铌酸锂(PPLN)光波导倍频非线性效应得到绿光(532 nm)10 Gbit/s信号;另一种是采用绿光直接调制1 Gbit/s信号。前者的优势是1064 nm红外波长目前有相对成熟的高速光调制器,可以比较容易通过调制产生高速数据信号(如10 Gbit/s),不过需要额外的非线性波长转换得到适合于水下光通信的绿光;后者的优势是比较直接,不过直接调制的速率相对较低(如1 Gbit/s)。实验中产生的绿光高斯光通过专门设计的集成电介质超表面相位板转化为携带数据信息的OAM模式。图10(a)为基于OAM模式复用实现高速水下光通信的应用场景。图10(b)为基于PPLN倍频生成信号的40 Gbit/s水下OAM模式复用通信的性能测试结果,当其他所有OAM模式信道关闭和打开时,图中给出了OAM模式信道=+3(10 Gbit/s OOK信号)的眼图以及OAM模式信道=+1,+3的比特误码率曲线。从图中可以看出,当所有OAM模式信道都打开时,所有情况下的功率代价都小于2.2 dB,这显示了良好的高速水下OAM模式复用通信性能。

图 10. 基于OAM模式复用的高速水下光通信17。(a)水下OAM模式复用光通信应用场景;(b) 40 Gbit/s水下OAM模式复用通信实验结果

Fig. 10. High-speed underwater optical communications using OAM mode multiplexing[17]. (a) Application scenario for underwater OAM mode multiplexing optical communication;(b) experimental results for 40-Gbit/s underwater OAM mode multiplexing communication

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2021年,Zhang等103提出并演示了一套高速、低成本、紧凑型、便携式的集成封装OAM模式复用水下无线光通信原型系统。在实验中,使用几何相位Q板器件和偏振分束器件来产生、复用、解复用和检测OAM模式。同时,将信号生成、接收和处理功能集成到现场可编程门阵列(FPGA)中以实现高速、小体积和低功耗。将所有实验元器件封装到两个65 cm×35 cm×40 cm防水箱(带有透明窗口)中作为水下OAM模式复用光通信收发样机。利用该原型系统,实验实现了1.25 Gbit/s水下6 m距离OAM模式复用通信(=+3和=-3两个OAM模式信道,每个信道速率为625 Mbit/s),比特误码率性能低于1.5×10-2阈值。图11(a)为OAM模式复用水下无线光通信概念和原理,图11(b)为几何相位Q板产生OAM模式的概念和原理。图12(a)所示为OAM模式复用水下无线光通信原型系统实验装置图。发射机端为信号生成和调制组件。为了提高系统的集成度,使用FPGA生成两个625 Mbit/s伪随机二进制序列(PRBS)信号,然后通过小型可插拔收发光模块(SFP)对信号进行整形和放大,并通过直接调制加载到两个520 nm单模尾纤LD上。实验中使用两个起偏器和半波片将两束光分别调制为xy线偏振(LP)光。通过偏振分束器(PBS)合束后,使用1/4波片将xy线偏振光转换为正交圆偏振(CP)光,然后通过一个几何相位Q板(q=1.5)转换为复用OAM模式(=+3和=-3),通过透镜调整光束尺寸后,OAM模式进入水中传输。实验中使用了一个长度为6 m的水箱(40 cm×40 cm)。在接收机端,使用透镜组合对经过水下复用传输后的OAM模式进行缩束,使用中性密度滤光镜(NDF)调节接收光功率,然后利用几何相位Q板解调OAM模式。经过Q板后,复用的OAM模式被转换为正交圆偏振类高斯光束,再经过1/4波片和半波片,可以得到正交xy线偏振光束,进而被偏振分束器分离。利用两个高灵敏度雪崩光电探测器(APD)探测光信号。最后使用FPGA对探测信号进行处理。图12(b)为测试得到的基于OAM模式复用的水下无线光通信原型系统的模式信道串扰性能,实验测得串扰约为-14 dB。此外,实验还测量了基于OAM模式复用的水下无线光通信原型系统的比特误码率性能,OAM模式信道1(=+3)和OAM模式信道2(=-3)的比特误码率均低于1.5×10-2的阈值。

图 11. 基于OAM模式复用的水下无线光通信原型系统103。(a) OAM模式复用水下无线光通信概念和原理;(b)几何相位Q板产生OAM模式的概念和原理

Fig. 11. Prototype system of underwater wireless optical communication using OAM mode multiplexing[103]. (a) Concept and principle of underwater wireless optical communication using OAM mode multiplexing;(b) concept and principle of OAM mode generation by geometric phase Q-plate

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图 12. 基于OAM模式复用的水下无线光通信原型系统实验装置图和实验结果103。(a) 实验装置;(b) 模式信道串扰矩阵及BER性能测试结果

Fig. 12. Experimental setup and results for prototype system of underwater wireless optical communication using OAM mode multiplexing[103]. (a) Experimental setup; (b) measured results of mode channel crosstalk matrix and BER performance

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2023年,Hei等105采用单光子计数模块来接收光子信号,实验通过建立符合实际系统的理论模型来分析误码率和光子计数统计,并在单光子水平上解调OAM状态,利用FPGA编程实现信号处理。基于这些模块,实验在9 m长的水路上建立了2个OAM模式复用的水下无线光通信链路。通过使用OOK调制和两脉冲位置调制,在数据速率为20 Mbit/s时实现了1.26×10-3的误码率,在数据速率为10 Mbit/s时实现了3.17×10-4的误码率,低于3.8×10-3的前向纠错(FEC)阈值。图13(a)为采用2个OAM模式复用的水下光子计数通信系统的实验装置。该系统采用了两路不同的OAM模式,每一路都是通过使用单独的SLM对一个激光器发出的高斯光加载螺旋相位调制而产生。发射器上的FPGA板产生两个10 MHz电信号,在经过比较器的波形整形和电压转换后,作为两个488 nm LD的驱动信号。然后,两路OAM模式通过分束器(BS)合束复用在一起,经过水管同轴传输。为了模拟更大的信道损耗,使用几个衰减器来调整传输的光功率。图13(b)给出了光子计数统计直方图。图13(c)给出了使用两种调制格式的实验系统的误码率性能。在发射功率为0.5 mW的情况下,总的传输损耗为37 dB,从能量损耗的角度看,相当于283 m Jerlov I型海水的衰减量。

图 13. OAM模式复用水下光子计数通信105。(a)实验装置图;(b) 光子计数统计;(c) OAM模式复用的误码率性能

Fig. 13. Photon-counting-based underwater wireless optical communication using OAM mode multiplexing[105]. (a) Experimental setup; (b) photon-counting statistics; (c) BER performance of OAM mode multiplexing

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3.2.3 水下OAM模式广播通信

在OAM模式复用通信系统中,不同的OAM模式信道携带不同的数据信息,通过多通道复用提高通信容量。值得注意的是,在多样化的光通信系统网络中,也存在一些情况需要对一路信号进行多份复制并分发多个用户,这是一对多的通信,称为广播通信。OAM模式可以有很多取值,如果把信息同时加载到多个OAM模式上也就实现了OAM模式广播通信。在自由空间光通信中,目前已经有基于OAM模式的广播通信报道110-114。在水下光通信中,广播通信也具有重要价值,如:在潜艇编队或其他多个水下交通工具之间共享传递数据信息的应用;中心站可以通过广播向多个无人航行器和传感器发送相同的指令,用于海洋环境监测等。水下OAM模式广播通信为这些应用场景提供了有效解决方案。

2017年,Zhao等101利用光波空间维度(空间相位结构),提出并演示了一种基于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束绿光(520 nm)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。基于OAM模式的水下无线广播通信的概念和原理如图14(a)所示。在水下通信的情况下,有时需要向多个用户(如多个潜艇)发送多份复制的信号。考虑到具有螺旋相位结构的OAM模式可以有多个正交取值,可以将不同的OAM模式作为独特的标签分配给不同的用户。由高斯模式(=0)携带的种子信号被复制到多个OAM 模式(k, m, n≠0),这可以通过一个复杂的相位图形来实现。携带相同数据信息的不同OAM模式分别被分配给不同的用户,即实现了基于OAM模式的水下无线光通信链路。图14(b)给出了基于OAM模式的水下无线广播通信的实验装置。1.5 GBaud的电信号由AWG产生,并采用m-QAM-OFDM高级调制格式。该信号由一个电放大器放大,然后加载到一个520 nm单模尾纤LD进行直接调制。LD的尾纤与准直器相连,这样,携带高级调制格式信号的基模高斯光就从光纤耦合到自由空间。输出的绿光入射到空间光调制器(SLM-1)上,该调制器加载有一个复杂的相位图形(分叉的广播相位图形)用于产生广播的多个OAM模式。在实验中,通过使用一个2 m长的长方形水箱来模拟水下条件,水箱中装满自来水。在经过2 m水下无线广播通信链路的传播后,接收到的广播OAM模式被另一个空间光调制器(SLM-2)解调,该空间光调制器为不同的广播OAM模式通道加载可切换的特定分叉相位图形,其可以将需要解调的OAM模式转换为类高斯光并经过空间滤波进行有效分离和探测。检测后的信号经放大后被送到示波器进行比特误码率性能测量。实验中研究了2 m水下广播传输后的OAM谱性能。对于1对4的OAM广播通信(OAM-6,OAM-3,OAM+3,OAM+6),依次将不同阶次的分叉相位图形加载到SLM-2上以解调不同的OAM模式通道,图15(a)所示为仿真和实验测量的解调归一化功率分布,即OAM谱,插图显示了广播OAM模式通道和未广播的OAM模式通道解调后的光强分布图。可以看出,对于广播的OAM-6、OAM-3、OAM+3和OAM+6通道,解调后的光强分布在中心均会出现一个亮点,而对于其他未广播的通道(如OAM-9、OAM0、OAM+8),解调后的光强分布中心强度仍然为零。图15(b)给出了2 m水下广播传输后多通道OAM模式携带信息的比特误码率性能。实验中将高斯光作为参考通道,对于不同的广播OAM模式通道(OAM-6、OAM-3、OAM+3、OAM+6),误码率曲线几乎相同,与参考通道相比,在前向纠错(FEC)阈值(误码率为1×10-3)时有约2 dB的代价,图15(b)还给出了在FEC阈值以上和以下测量的典型星座图。

图 14. 基于OAM模式的水下无线广播通信101。(a)概念及原理示意图;(b) 实验装置图

Fig. 14. Underwater wireless broadcast communication using OAM modes[101]. (a) Concept and principle; (b) experimental setup

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图 15. 基于OAM模式的水下无线广播通信实验结果101。(a)基于OAM模式1对4广播通信的解调归一化功率分布(OAM谱); (b)比特误码率性能

Fig. 15. Experimental results for underwater wireless broadcast communication using OAM modes[101]. (a) Demodulated normalized power distribution of OAM mode based 1-to-4 multicasting communication; (b) measured BER performance

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3.3 涉空水界面的OAM模式光通信

除了连接不同水下用户间的水下无线光通信,跨空水界面的水下-水上用户之间、水下-水上-水下用户之间以及水下-空水界面-水下用户之间的光通信也有其潜在的重要应用场景,如空中/水下搜救、水下航行器和空中无人机间的通信、石油平台或船舶检查期间的数据传输、海洋环境传感检测数据的传输等。在一些实际应用中,在潮汐起伏的环境下确保准确的接收检测仍然是一个重要挑战,这也是跨空水界面光通信链路的常见情况。此外,某些障碍物如视距通信中的水下生物和固定的岩石也可能会阻挡光路,通过中间中继节点采用多跳传输115-116是解决这个问题的一个潜在方法,同时,利用水上中继的水下-水上-水下交互通信也可以绕开障碍物的影响。

2018年,Wang等117通过实验证明了一种使用OAM模式的自适应“水下-空气-水下”数据信息传输。在水下链路中采用离散多音频(DMT)调制信号,同时引入反馈机制实现灵活的“水下-空气-水下”光通信,速率达到1.08 Gbit/s。通过比较两个相对水面高度(25 mm和-10 mm)下有反馈和无反馈的系统性能,在相对水面高度为25 mm和-10 mm时,有反馈情况下在7%开销硬判决前向纠错(HD-FEC)阈值(3.8×10-3)下的功率代价分别提高了2.5 dB和1 dB。图16(a)为三种潜在的应用场景:一是空中用户和水下用户之间基于OAM模式的高速数据传输;二是空中用户和水下用户之间的协作通信,在这种情况下,空中用户可以从一个水下用户接收数据信息,并向另一个水下用户发送指令;三是空中用户和水下用户之间的反射通信链路,从一个水下用户到达空中用户的光被反射回另一个水下用户,这可以绕过障碍物。图16(b)示意了引入反馈控制机制的“水下-空气-水下”OAM模式绿光通信的实验配置。在发射端,AWG产生DMT电信号,AWG的采样率设定为800 MSa/s,总传输速率为1.08 Gbit/s,在经过电放大器后,基带DMT信号被直接调制到520 nm单模尾纤LD上。然后,LD的尾纤连接到一个准直器将携带数据信息的高斯光耦合到自由空间中,输出的绿光通过一个加载螺旋相位的空间光调制器(SLM-1)后其高斯光模式被转换为OAM模式。使用一个半波片和一个起偏器来调整光的偏振,使其与SLM的最佳工作偏振方向保持一致。在实验中,使用一个2 m长的矩形水箱(40 cm×40 cm)并通过改变水箱中的水面高度来模拟潮汐的起伏。在接收端,通过使用另一个空间光调制器(SLM-2)并加载相反的螺旋相位将传输后的OAM模式转换为类高斯模式,并进行检测。实验研究了潮汐的起伏对接收到的OAM模式质量和系统性能的影响。在发射端输入和接收端输出的高斯光、OAM+1、OAM+3和OAM+5模式及其解调光斑的强度分布如图17(a)所示。当水位升高25 mm和降低10 mm时,图17(a)也给出了有反馈和无反馈情况下的输出光斑的强度分布,图17(b)给出了有反馈和无反馈情况下的误码率性能测量结果,图中也给出了典型的信号星座图。在无反馈情况下,潮汐引起的水面高度变化会导致接收光斑位置的显著改变,进而劣化通信性能。相比之下,引入反馈机制后可以稳定接收光斑的位置,即使水面高度发生改变也可以保持良好的通信性能(误码率曲线几乎重合),这表明引入反馈机制可以有效改进“水下-空气-水下”OAM模式数据传输性能。

图 16. 基于OAM模式的“水下-空气-水下”光通信117。(a)概念及原理示意图;(b)实验装置

Fig. 16. "Water-air-water" optical communication using OAM mode[117]. (a) Concept and principle; (b) experimental setup

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图 17. 基于OAM模式的“水下-空气-水下”光通信实验结果117。(a)输入输出高斯光、OAM模式、解调光斑及有无反馈情况下输出OAM模式的强度分布;(b)误码率性能

Fig. 17. Experimental results for "water-air-water" optical communication using OAM mode[117]. (a) Measured intensity distributions of input/output Gaussian beam, OAM modes, demodulated beams, and output OAM mode with and without feedback; (b) measured BER performance

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2018年,Zhao等118提出并通过实验证明了利用空气-水界面的全反射非视距水下OAM模式光通信。为了克服空气-水界面起伏引起的光束波动和漂移,开发了自适应反馈控制系统来提供稳定的输出。此外,实验研究了微风效应、盐度(浊度)效应和垂直热梯度引起湍流效应的性能退化影响。结果表明,由微风引起的水波造成了最大的光束漂移,热梯度造成了最大的失真,而盐度则造成了最大的功率损失。利用空气-水界面全反射并采用OAM模式的水下无线光通信的概念和原理如图18(a)所示,空气-水界面的全反射和接收端的自适应反馈控制系统用于实现非视距光路。自适应反馈控制系统包括两个反馈闭环的环节,因为有两个维度的位移:一个是角度位移,即漂移光束和原始光束之间的角度;另一个是横向位移,即在接收平面的横向位置偏移。实验装置如图18(b)所示,450 nm单模尾纤LD输出的高斯光通过准直器耦合到自由空间中以提供直径约为2 mm的蓝色高斯光束。利用半波片调节偏振态与SLM工作偏振方向一致以提高效率,通过在SLM-1上加载叉形相位图形产生一个OAM模式;利用另一个LD和SLM-2基于类似方法来产生另一个OAM模式;产生的两个OAM模式由分束器(BS-1)合束,实现复用。利用一个长度为2 m、宽度和高度均为40 cm的水箱提供水下光通信环境,充满自来水的高度约为30 cm,水箱前的输入光和水箱后的输出光都有相同的高度,约为25 cm。如图19(a)所示,通过添加/抽取一些水来人为改变水面高度(每次改变10 mm),以此来引起光束漂移,对于一般性的接收光斑的二维抖动,使用两套SLM和相机[图18(b)中SLM-3、Camera-1和SLM-4、Camera-2]进行反馈控制以保持输出光路的稳定性。图19(a)也给出了OAM模式复用的情况(OAM+5和OAM-5),没有引入反馈控制时,光束漂移使得无法实现成功解调,当同时进行两级反馈控制时,复用OAM模式稳定输出,可以被完美解调。实验进一步全面研究了垂直热梯队引起的湍流效应和加入人工海盐引起的浊度效应。垂直热梯度会改变输出光位置,图19(b)左上图为垂直热梯度的影响,水面和水底温度分别为24.5 ℃和25 ℃,考虑水面高度为30 cm,因此垂直热梯度近似为0.5 ℃/30 cm,该值实际上要远大于真实场景,此时Camera-1上测得接收光束的最大横向漂移约为0.15 mm,这种程度的光束偏移可以通过自适应反馈控制系统进行修正。值得注意的是,除了光束偏移,垂直热梯度带来的湍流也会引起较为严重的光束形状失真和性能劣化。实验中通过在水箱中加入人工海盐来研究浊度的影响。人工海盐包括Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr+等40多种微量元素,通过加热和搅拌,人工海盐可以完全溶解到水里。实验中水的总质量为250 kg,每次添加62.5 g人工海盐以估算和改变水的盐度。图19(b)右上图为盐度引起的光束横向漂移的影响,当盐度为0.5‰时Camera-1上测得的接收光束最大横向漂移约为0.055 mm,其影响相比于垂直热梯度要小,图19(b)左下图给出了垂直热梯度和盐度共同影响下的情况,接收光束的最大横向漂移约为0.21 mm。另外,图19(b)右下图给出了接收光功率和盐度的关系,可见盐度的增加会引起光功率的衰减且二者近似呈线性关系。

图 18. 利用空气-水界面全反射基于OAM模式的自适应反馈控制非视距水下无线光通信118。(a)概念和原理示意图;(b)实验装置图

Fig. 18. OAM mode based adaptive feedback-control non-line-of-sight underwater wireless optical communication utilizing total reflection at air-water interface[118]. (a) Concept and principle; (b) experimental setup

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图 19. 利用空气-水界面全反射的自适应反馈OAM模式水下光通信实验结果118。(a)自适应反馈系统OAM模式传输的测量结果;(b)热梯度和盐度影响光束漂移和功率衰减的测量结果

Fig. 19. Experimental results of feedback-enabled adaptive underwater light transmission utilizing all reflection at air-water interface[118]. (a) Measured results for transmitting OAM modes (OAM+5, OAM-5) through adaptive feedback system; (b) measured results for impact of thermal gradient and salinity on beam displacement and power loss

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3.4 快速自动对准辅助的OAM模式光通信

2022年,Cai等104提出并通过实验报道了基于OAM模式的快速自动对准水下无线光通信系统。利用快速自动对准技术,在4种不同的振动(发射端振动、接收端振动、发射和接收端同时振动、利用空水界面全反射非视距通信时发射和接收端同时振动)条件下,以244 Hz的响应频率演示了传输总容量达4 Gbit/s的双OAM模式复用通信链路。在使用快速自动对准技术之后,各种条件下振动的影响都大大减小,保持了通信链路的稳定。图20(a)为采用OAM模式的快速自动对准水下无线光通信系统的概念和原理。发射器端向接收器端发送光信号,采用OAM模式复用技术来提高传输容量,为了克服水下复杂环境引起的光束抖动并获得稳定的输出,在接收端引入快速自动对准系统。图20(b)给出了带快速自动对准系统的水下无线光通信的实验装置。AWG产生两个携带QPSK调制格式的1 GBaud电信号,经过电放大器分别对信号进行放大,然后加载到两个520 nm单模尾纤LD上进行直接调制。进一步使用两个SLM将两个LD输出的携带数据信息的高斯光分别转换为两个OAM模式,为了有效地进行相位调制,通过使用半波片将入射到SLM上的信号光偏振态调整为和SLM工作偏振方向一致,再使用分束器将两个OAM模式复用在一起进行水下传输实验。图21(a)给出了4种振动条件下有无使用快速自动对准系统时的输出光束位置轨迹(1000个数据点)。可以清楚地看到,经过快速自动对准之后,输出光束位置的分布范围明显缩小,这说明了快速自动对准系统具有良好的输出光路稳定性。图21(b)给出了不同振动条件下有无快速自动对准系统时的误码率性能。从实验结果可以看到,如果不使用快速自动对准系统,不同振动条件下引起的接收光束抖动太大,以至于接收机无法有效接收到光功率,这使得通信链路发生中断;相比之下,当使用快速自动对准系统时,即使发生振动也可以稳定接收机接收到的光功率。在实验中,不同振动条件下都可以实现稳定的通信,且引入近似相同的2 dB功率代价。值得注意的是,对于利用空水界面全反射进行非视距通信的情况,由于空水界面反射引入额外的2 dB损耗,因此总功率代价约为4 dB。

图 20. 快速自动对准辅助的水下OAM模式复用无线光通信104。(a)概念和原理示意图;(b) 实验装置图

Fig. 20. Fast auto-alignment assisted underwater OAM mode multiplexing wireless optical communication[104]. (a) Concept and principle; (b) experimental setup

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图 21. 快速自动对准辅助的水下OAM模式通信实验结果104。(a)不同振动条件下的光束轨迹;(b)不同振动条件下的比特误码率性能

Fig. 21. Experimental results for fast auto-alignment assisted underwater OAM mode communication[104]. (a) Beam's trajectory under different vibration condition; (b) BER performance under different vibration condition

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4 水下其他结构光通信

除了上述直接叠加螺旋相位因子的OAM模式外,近年来,其他的一些结构光也被应用于水下光通信中。2017年,Zhao等100研究表明,在水下无线光通信中,贝塞尔光束在受到障碍物干扰时表现出更好的性能,这与其无衍射和自恢复特性有关。实验中研究了不同空间模式水下无线光通信时的性能,包括高斯光束、OAM模式和贝塞尔光束,考察了动态气泡和静态障碍物遮挡对三种空间模式传输的影响。图22(a)为三种空间模式的光强分布以及水下环境中存在的气泡和障碍物遮挡干扰。高斯光具有高斯光强分布(中心亮斑)和平面波相位结构(束腰位置),OAM模式具有环形光强分布(中心强度为零)和螺旋相位结构(中心相位奇点),贝塞尔光束具有多环状光强分布。图22(b)给出了实验装置图,包括发射端、水箱和接收端。在发射端,AWG产生1.4 GBaud正交频分复用16-QAM信号,经过电放大器的放大后驱动520 nm激光器产生携带数据信息的高斯光,高斯光再经过空间光调制器(SLM-1),通过加载不同的相位图形产生各种结构光,包括OAM模式和贝塞尔光束;水箱长2 m、宽40 cm、高40 cm,水箱内装有水,通过氧气泵产生气泡干扰,其会对光束产生一定的散射和衰减,通过设置不透明小纸片来模拟障碍物遮挡,其会挡住一部分光束;在接收端,使用透镜对进行适当缩束,然后使用另一个空间光调制器(SLM-2)加载对应的相位图形解调OAM模式和贝塞尔光束,解调得到的类高斯光束通过空间滤波后耦合到APD,进行探测,使用NDF调节光功率以测量误码率曲线以及避免观测光强时高功率会损坏相机,APD将光信号转换为电信号,电信号经过放大后进入示波器。对于高斯光,发射端的SLM-1和接收端的SLM-2仅加载光栅相位。

图 22. 气泡和障碍物影响下不同空间模式的水下光通信100。(a) 三种空间模式水下无线光通信概念图;(b) 实验装置图

Fig. 22. Underwater optical communications using different spatial modes subjected to bubbles and obstructions[100]. (a) Concept of underwater wireless optical communications employing three different spatial modes; (b) experimental setup

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图23(a)给出了不同空间模式受到气泡干扰时的影响,主要表现为光功率的抖动。从图中可见:没有气泡时光功率相对稳定(抖动较小),有气泡时光功率抖动明显(约为 4 dB),同时,不同空间模式在受到气泡干扰时光功率抖动程度几乎差不多。由于气泡中是空气,不同于自由空间大气湍流会导致接收光束位置严重漂移,水下光通信受到气泡影响时,光束可以穿过气泡并伴随少量表面散射,因而接收光束位置变化较小,不过会引起功率抖动,且不依赖于具体的空间模式。图23(b)给出了不同空间模式受到障碍物遮挡时的影响,主要表现为一定程度的光斑失真和质量劣化。从图中可见,没有障碍物遮挡时,三种空间模式经水下传输后均可以保持较好的光斑形状;当有障碍物遮挡时,高斯光和OAM模式在接收端均有一部分光斑被遮挡,相比之下,贝塞尔光束受到的影响最小。图23(c)给出了不同空间模式受到障碍物遮挡时的误码率性能。当没有障碍物遮挡时,三种空间模式的误码率性能曲线比较接近;当有障碍物遮挡时,贝塞尔光束的误码率性能最佳,其相比高斯光在误码率为3.8×10-3时有约1.5 dB的性能提升,同时,OAM模式的误码率性能也要优于高斯光。图23(c)也给出了16-QAM信号的星座图。

图 23. 气泡和障碍物影响下不同空间模式水下光通信实验结果100。(a)有无气泡时不同空间模式的接收光功率;(b)有无障碍物时不同空间模式的输出光强及解调光强分布;(c)有无障碍物时不同空间模式的误码率性能

Fig. 23. Experimental results for underwater optical communications using different spatial modes subjected to bubbles and obstructions[100]. (a) Received optical power of different spatial modes with and without bubbles; (b) output intensity and demodulated intensity profiles of different spatial modes with and without obstruction; (c) measured BER performance for different spatial modes with and without obstruction

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2020年,Wang等119利用贝塞尔-高斯光束在水下光通信中实现了抗海洋湍流的数据传输,通过使用OOK信号,经过1 m光通信链路,在不同的海洋信道条件下,如水流、温度梯度、散射和气泡,实验演示和分析了水下数据传输性能,发现这些扰动会影响光束波前,进而引起误码。研究表明,相比于高斯光束,贝塞尔-高斯光束可以改善水下数据传输性能,其为抵抗水下光通信复杂环境影响提供了一种潜在的可行性选择。图24(a)给出了实验装置的示意图。在该装置中,贝塞尔-高斯光束通过锥镜法产生,520 nm半导体激光器由直流偏置信号和一个信号源产生的方波信号驱动。调制后的光信号经过准直器、光阑和锥镜产生贝塞尔-高斯光束。调制后的贝塞尔-高斯光束经过1 m长水箱传输。实验中使用了一些辅助设备来模拟不同的海洋信道条件。图24(b)给出了多种环境下的贝塞尔-高斯光束和高斯光束的光强分布,包括仿真和实测的贝塞尔-高斯光束的光斑,以及贝塞尔-高斯光束和高斯光束分别穿过障碍物的光斑。可以看到,贝塞尔-高斯光束呈现多环形状强度分布,在经过障碍物后,贝塞尔-高斯光束仍然保持较完整的光斑,高斯光束出现了残缺,说明贝塞尔-高斯光束的自愈特性使其可以较好地抵抗障碍物影响。图24(c)给出了在稳定的自来水以及有水流和热梯度情况下贝塞尔-高斯光束和传统高斯光束水下光通信的误码率特性,从图中可见,相同功率下,水流或热梯度的影响相比于稳定的自来水情况误码率有1~2.5个数量级的劣化,热梯度的影响比水流影响要更大一些,同时,贝塞尔-高斯光束的误码率要显著低于相同情况下的高斯光束。总体而言,贝塞尔-高斯光束无衍射和自恢复特性使其具有更好的抗障碍物以及抗环境扰动的性能。

图 24. 海水信道各种效应下贝塞尔-高斯光束水下数据传输的性能分析119。(a) 实验装置图;(b)仿真贝塞尔-高斯光束(左上)、实测贝塞尔-高斯光束(右上)、经过障碍物的贝塞尔-高斯光束(左下)、经过障碍物的高斯光束(右下)的光强分布;(c)水流和热梯度下的误码率性能

Fig. 24. Performance analyses on underwater data transmission using Bessel-Gaussian beams in simulated ocean channel with various effects[119]. (a) Experimental setup; (b) intensity distributions of simulated Bessel-Gaussian beam (upper left), generated Bessel-Gaussian beam (upper right), Bessel-Gaussian beam passing through obstacle (lower left), and Gaussian beam passing through obstacle (lower right); (c) measured BER performance under water current and thermal gradient

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2021年,Liu等120提出了一种基于CNN的方法用于在海洋湍流信道中识别不同阶贝塞尔-高斯光束。该方法利用了贝塞尔-高斯光束具有的无衍射和自恢复特性以及CNN具有的学习数据多层抽象表示和提取图像固有特征的能力。通过设计一个7层CNN结构,并使用受海洋湍流扰动的贝塞尔-高斯光束的强度分布作为训练数据。通过模拟实验,验证了该CNN在不同海洋环境下对贝塞尔-高斯光束的识别性能,并分析了网络参数、湍流参数、训练数据集类型和编码方法对识别结果的影响。该方法为海洋无线光通信系统中贝塞尔-高斯光束的高效识别提供了一种思路和技术手段。图25(a)为基于CNN识别贝塞尔-高斯光束的水下无线光通信系统。在发射端,计算机将源数据转换为数字数据,并根据模式编码在SLM上加载一系列特殊设计的相位图形。激光器发出的高斯光经过SLM后转换为不同阶数的贝塞尔-高斯光束,然后进入海洋湍流信道。在接收端, CCD相机接收到扰动后的贝塞尔-高斯光束,并将其强度分布输入到CNN中进行识别。图25(b)研究了不同湍流强度对拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束识别准确率的影响。在训练阶段,无论海洋湍流强度如何,拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束的训练准确率均达到100%,这说明CNN充分学习了训练样本的特征。不过,在测试阶段,随着海洋湍流强度的增强,拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束的识别准确率均有下降。特别地,相较于拉盖尔-高斯光束,贝塞尔-高斯光束的识别准确率在更强的海洋湍流下才开始快速下降,可见其抗海洋湍流性能更好。图25(c)给出了不同湍流强度下传输距离对CNN识别准确率的影响。在弱海洋湍流下,CNN在150 m处的识别准确率超过99%;在中等海洋湍流下,即使CNN识别准确率有所下降,在150 m处的识别准确率仍能达到95%以上;在强海洋湍流下,CNN在传输距离大于60 m时的识别准确率快速下降,因此在强海洋湍流和长距离传输场景中应用CNN识别还需要其他技术辅助来提高识别准确率,例如光功率放大、自适应光学等。

图 25. 基于CNN识别贝塞尔-高斯光束的水下无线光通信系统120。(a) 实验装置;(b)不同湍流强度下拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束的CNN识别准确率;(c)不同湍流强度下CNN识别准确率随传输距离的变化

Fig. 25. Underwater wireless optical communication system based on CNN recognition of Bessel-Gaussian beams[120]. (a) Experimental setup;(b) accuracy of CNN for recognizing Laguerre-Gaussian and Bessel-Gaussian beams under different turbulence intensities; (c) recognition accuracy of CNN versus transmission distance under different turbulence intensities

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2023年,Robertson等121利用因斯高斯(IG)光束恒定包络调制的方法实现大带宽水下无线光通信。该方法利用二次谐波产生过程生成并调制因斯高斯光束,通过控制二次谐波过程的相位匹配条件,可以控制生成模式的系数,通过将数据调制在光束的相位上,实现恒定包络调制。图26(a)给出了二次谐波过程产生因斯高斯光束的实验装置图。该装置主要由激光器、任意波形发生器、相位调制器、螺旋相位板、PPLN晶体、PIN光电探测器等组成。激光器产生的1064 nm高斯光束,通过分束比为50∶50的耦合器分为两路,分别经过相位调制器和放大器,每一路再通过螺旋相位板生成OAM光束,然后通过合束比为50∶50的合束器进行合束,这样便构建了一个马赫-曾德尔干涉仪,其中有光纤链路也有自由空间路径。之后,利用分束比为90∶10的分束器为干涉仪提供反馈控制,其通过一个低频相位调制器[图26(a)中干涉仪下臂相位调制器,3 dB带宽为150 MHz]实现两路模式相对相位的锁定。两路相干合成OAM光束(拓扑电荷数相反)作为泵浦光输入PPLN晶体,通过二次谐波过程产生532 nm因斯高斯光束,然后经过水下通道传输[图26(a)插图],水下通道采用3 m长的水管,其支持双向传输,在水中通过添加抗酸剂调节浊度和模拟真实水下复杂环境。由任意波形发生器提供电域数据信息,其经过放大后加载到相位调制器[图26(a)中干涉仪上臂相位调制器,3 dB带宽为12 GHz]上,这样数据信息就加载到了合成因斯高斯光束的两路OAM光束的相对相位上,该数据信息可以采用QAM高级调制格式。图26(b)给出了通过改变相位匹配条件生成不同模式系数的光束。图26(c)给出了不同调制格式情况下因斯高斯光束的误码率随衰减长度的变化关系。随着衰减长度的增加,误码率性能会劣化。同时,更高速率的25 Gbit/s 32-QAM信号的误码率相比20 Gbit/s 16-QAM信号也会劣化。因斯高斯光束也具有无衍射特性,其相比高斯光在复杂介质中传输时表现出更好的鲁棒性。为了进一步提升通信容量,未来可以考虑使用两个偏振以及多个因斯高斯光束。

图 26. 基于因斯高斯光束恒定包络调制的大带宽水下无线光通信121。(a)二次谐波过程产生因斯高斯光束的实验装置图;(b)不同相位匹配条件生成的不同模式系数的因斯高斯光束强度分布;(c)不同调制格式情况下因斯高斯光束的误码率随衰减长度的变化关系

Fig. 26. Constant-envelope modulation of Ince-Gaussian beams for high-bandwidth underwater wireless optical communication[121]. (a) Experimental setup for generating Ince-Gaussian beams through second-harmonic process; (b) intensity distribution of Ince-Gaussian beams with different mode coefficient under different phase matching conditions; (c) BER of Ince-Gaussian beams versus attenuation length for different modulation formats

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5 基于OAM模式的复杂介质光通信

除了水下无线光通信,OAM模式也应用于自由空间无线光通信。水下扰动环境和大气扰动环境都属于复杂介质情况。由于大气信道中存在着湍流和散射等影响,OAM模式传输时也不可避免地会失真,同时伴随功率衰减和光束抖动,进而严重劣化通信性能,这需要采取相应的补偿措施。近年来,基于OAM模式的复杂介质光通信也值得特别关注122-123

2021年,Liang等122通过引入湍流补偿和快速自动对准装置构成的自适应系统,提出并通过实验实现了一个有效对抗湍流和振动影响的光通信系统。图27(a)给出了这种补偿湍流和振动影响的自适应光通信系统的实验装置。输出激光经过调制器的调制(AWG提供驱动信号)后加载信息,然后经准直器的准直耦合到自由空间中,通信链路中使用湍流屏来模拟大气湍流影响,然后,激光入射到SLM上,通过加载特定的相位图形来补偿大气湍流影响。实验中采用6个不同的湍流相位屏来模拟大气湍流影响,利用基于泽尼克多项式的随机并行梯度下降(SPGD)算法进行湍流补偿,其不需要使用波前传感器,而是仅根据相机记录的光束强度分布、通过算法迭代优化加载到SLM上的相位图形,进而进行补偿,因此该方法更加简单,具有潜在实用价值。除了湍流影响,实验装置中也使用一个振动频率为196 Hz的电机[与图27(a)中反射镜M2连接形成电动反射镜]来模拟振动影响,从而引起光束的角度和横向偏移。实验中引入快速自动对准装置来补偿振动影响,其包括两级对准,每一级包括一个四象限探测器、一个位置传感器(PSD)、两个压电控制器、一个分束器和一个压电反射镜支架(PMM),利用四象限探测器和位置传感器测量分束器分出的光的偏移并通过压电控制器(响应频率244 Hz)提供的驱动电压驱动压电反射镜,以调整光束对准探测中心,通过两级快速自动对准可以很好地补偿光束的角度和横向偏移。利用自适应湍流补偿和快速自动对准系统,实验测试了OAM模式光通信在湍流和振动影响下的误码率性能,其中OAM模式携带10 GBaud强度调制直接检测(IM/DD)16-QAM信号,实验结果如图27(b)所示。从图中可见,湍流和振动的影响会严重劣化OAM模式光通信性能,通过自适应湍流补偿和快速自动对准,功率代价可以改进约8 dB,图中也给出了16-QAM星座图,这说明自适应湍流补偿和快速自动对准技术可以有效提升OAM模式复杂介质光通信性能。相应的技术也可以应用于水下环境OAM模式光通信中。

图 27. 补偿湍流和振动影响的自适应OAM模式光通信系统122。(a)实验装置图;(b)误码率性能

Fig. 27. Adaptive OAM mode optical communication system against turbulence and vibration[122]. (a) Experimental setup; (b) BER performance

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6 总结及未来发展趋势和展望

OAM开发了光波的空间新维度资源,这为光通信的可持续扩容提供了新途径。在信息一体化趋势下,OAM光通信技术也逐步应用于自由空间、光纤、水下等多样性场景。本文全面总结了近年来水下OAM光通信技术的研究进展。本文对水下无线通信技术的发展历程进行了简要梳理,包括水下声波通信、水下电磁波通信、水下光波通信。针对水下光通信,重点聚焦基于OAM模式的水下无线光通信: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模式编译码通信、水下OAM模式复用通信、水下OAM模式广播通信等。在此基础上,进一步介绍了涉空水界面的OAM模式光通信(“水下-空气-水下”跨空水介质、“空气-水”界面全反射)以及快速自动对准辅助的OAM模式光通信。除了介绍OAM模式,同时也拓展介绍了水下其他结构光通信,另外,对基于OAM模式的复杂介质光通信(自适应湍流补偿和快速自动对准)也进行了介绍。

水下OAM模式光通信研究一方面利用OAM模式,另一方面聚焦水下光通信。本文回顾了近年来该领域取得的一系列研究进展,国内外相关研究工作还有很多,本文也不免会有遗漏,未来发展也有更加迅速之势。图28描绘了水下OAM模式光通信未来的发展趋势。在OAM模式层面,更加灵活和更强功能的空间光场调控技术是重要发展趋势,除了纯相位型空间光调制和纯幅度型空间光调制,空间幅度、空间相位、空间偏振任意独立多维度或全维度光场调控是重要研究方向,其可以支撑各种结构光产生、复用、解复用、处理、检测;目前OAM模式光通信使用的模式通道数还比较少,因此还没有充分发挥出空间维度优势,使用更多的OAM模式是一个趋势,也是更有效提升光通信容量的重要途径;从OAM模式拓展到广义的结构光也是一个重要研究方向,除了可以更充分地开发空间维度,结构光还有望在水下复杂环境中抵抗湍流和扰动等影响,进而有效改进通信性能;同时,OAM模式具有兼容性,空间维度(如OAM)融合传统维度(如波长、时间、复振幅、偏振)的多维光通信技术可以更有效地提升光通信容量,也是重要研究方向。在水下光通信层面,目前研究人员虽然报道了很多实验研究,但大多都是模拟实验,并非在真实的海洋环境中进行,未来水下光通信特别是海洋光通信的一个重要发展趋势是走向真实场景,面对真实的海洋复杂环境,需要系统分析各种盐度、温度、浊度以及复杂湍流和水文条件下复杂信道模型及其影响,厘清复杂信道光场和信号损伤机制;大容量是水下光通信未来发展的必然趋势,这也是引入OAM模式及结构光的一个重要原因;长距离是水下光通信的另一个趋势,这也是目前水下光通信的短板所在,蓝绿光虽然适合水下光通信,但传输距离仍然有限,弱光高灵敏探测是一个发展方向;高鲁棒性是水下光通信的又一个趋势,这也是复杂介质光通信包括水下场景高可靠光通信所期望的特性。水下OAM模式光通信的这些未来发展趋势离不开核心的器件和技术,包括激光器、调制器、探测器、转换器、复用解复用器等。为了实现大容量,需要高速直调激光器或者高速调制器,也需要更多的OAM模式通道,这就需要可扩展的多通道OAM模式复用解复用器。另外,也可以在近红外波段产生高速信号,然后通过非线性波长转换将其转换到可见光波段(如1064 nm倍频到532 nm),这就需要高效率波长转换器;为了实现长距离,需要高功率的激光器,同时也可以利用弱光探测技术,这需要高灵敏的探测器;为了实现高鲁棒性,可以充分利用结构光,这需要对应的空间光场调控器件。与此同时,也希望所有这些器件可以实现高集成、小尺寸和轻量型,以便得到更好的应用。

图 28. 水下轨道角动量光通信的未来发展趋势

Fig. 28. Future development trend of underwater OAM optical communications

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除了上述发展趋势外,图29描绘了水下无线光通信的未来展望,一个重要特点是融合。一方面,水下无线光通信技术,包括水下OAM模式及结构光通信,无法满足水下环境各种通信需求,因此,需要水下无线光波通信、电磁波(射频)通信、声波通信的有机融合,根据不同的应用场景以及不同的容量和距离需求,可以选择合适的一种或者多种通信方式及其组合;另一方面,对于广袤的海洋,除了海洋环境的通信,海洋资源的感知探测也极为重要,水下光通信技术结合水下感知技术的“通感一体化”也是未来的重要研究方向,对于提高海洋资源开发能力、发展海洋经济、保护海洋生态环境、服务海洋强国战略具有重要意义。

图 29. 水下无线光通信未来展望

Fig. 29. Future perspective of underwater wireless optical communications

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