基於渦旋光模式分選器和環芯光纖的渦旋光通信系統

2020-12-02 訊石光通訊諮詢網

  中山大學電子與信息工程學院餘思遠團隊在渦旋光通信集成器件及光纖通信系統取得新進展。他們基於團隊發展的螺旋坐標光學理論而研製出的渦旋光模式分選器集成模塊、以及獨特設計的新型環芯光纖，採用8個渦旋(OAM)模式復用並同時結合波分復用、模分復用和偏振復用的多維復用技術，實驗演示了50 km環芯光纖傳輸的渦旋光通信鏈路系統。

  渦旋光是一類攜帶有軌道角動量(OAM)的空間結構光場，不同渦旋光場模態彼此正交，構成一個理論上具有無限維度的態空間，因而在經典光通信和量子通信等領域具有極大的應用潛力。基於渦旋光的OAM 模分復用通信系統利用不同OAM 模式作為獨立的信道進行並行的信號傳輸，從而使通信系統的傳輸容量得到數量級擴增。該系統中最為核心的功能是OAM 復用/解復用，也稱OAM 模式分選(OAM mode sorting)，可以對不同OAM 模式在空間上進行共軸傳輸前/後的合束/分離，使得不同模式攜帶的信息可以被並行處理和探測。

  已有的典型方案依賴於複雜光路系統，如級聯多個馬赫增德幹涉儀或通過模式投影測量來實現OAM模式分選，存在複雜度和損耗隨模式數的增大而增大的可擴展性問題，難以滿足實際光信息傳輸系統的要求。因而集成高效易擴展的OAM復用/解復用原理及模式分選器件一直以來是該領域的研究重點和難點。

圖1 (a) 渦旋光模式分選示意圖;(b) 渦旋光分選器

  在基於螺旋坐標變換的高效率和高解析度渦旋光模式分選新理論的基礎上【Physical Review Letters 120, 193904 (2018)】，餘思遠團隊依託中山大學光電材料與技術國家重點實驗室的先進光電子集成工藝平臺，採用衍射光學元件微納加工技術，研製出集成化的渦旋光模式分選器(圖1)。通過將構成螺旋變換的光學變換器和相位修正器兩個元件集成到一個石英片的正反兩個面上，對變換相位的非傍軸修正實現了高分辨的渦旋模式分選效果(相鄰階最大串擾-13 dB)。進一步研製了單軸光學傅立葉變換器，實現了不同OAM階數的模式與空間線性排列的圓形高斯模式之間的雙向轉換，高度兼容光纖信息系統。

  研究團隊利用渦旋光分選器開展大容量長距離光信息傳輸實驗，首次實現了長達50 km的渦旋光環芯光纖通信鏈路(圖2)，通過8個OAM模式復用並同時結合波分復用、模分復用和偏振復用的多維復用技術實現了2.56 Tbit/s的傳輸容量、10.24 bit/s/Hz的頻譜效率和高達512 bit/s/Hz-km的頻譜效率-距離乘積。截止該研究成果發表時，這項工作刷新了已報導的渦旋光通信系統最長傳輸距離和頻譜效率-距離乘積紀錄。

圖2 採用渦旋光分選器與團隊設計的新型環芯光纖搭建的相干光通信系統

實現了50 km長距離的OAM模式復用、波分復用和偏振復用的多維通信復用技術。

     【註：基於光路可逆原理，OAM 復用和解復用器件往往可以互換使用。作為對比，OAM模分復用採用基於空間光調製器(SLM)的空間光路方案，OAM模分解復用部分採用團隊研製的渦旋光分選器，大大簡化解復用的鏈路系統。】

  本研究成果以「Compact and high-performance vortex mode sorter for multi-dimensional multiplexed fiber communication systems」為題在線發表於Optica上，聞遠輝博士生為第一作者，餘思遠教授主導組織開展此項研究工作，團隊骨幹陳鈺傑副教授(負責集成器件)和劉潔副教授(負責通信系統)為共同通訊作者。

  該工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、廣東省珠江人才計劃本土創新科研團隊項目以及中山大學光電材料與技術國家重點實驗室等的大力支持。

  論文連結：https://doi.org/10.1364/OPTICA.385590


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