光学无线通信因其在扩大通信传输容量、解决通信通道拥塞问题等方面的潜力，在学术和产业界得到了广泛的研究。自由空间光通信在一些场景会受到制约，比如面对不透明的障碍物遮挡光路、或者被大气散射光信号时，这些情况会使光发射装置与接收装置之间的光路难以校准对齐。因此，非视域光通信（NLOS）成为在这些场景下的有力竞争者，其可以在保证通信传输速率的同时有效克服校准问题。为了研究如何进一步扩大非视域光通信的通道容量，我们提出结合理论上无限维度的光学轨道角动量（OAM）来增加通信通道容量。这个方案在提升通信容量方面有一个关键问题亟待解决，那就是光接收装置对OAM的分辨能力。因为即使是微弱的大气湍流也会对基于OAM的自由空间光通信系统造成一定的负面影响，更何况NLOS通信中的一些场景需要依赖漫反射物体的反射过程，这就会进一步扩大该负面影响。这些散射过程引起的畸变对分辨OAM会造成很大的困难。

Fig. 1 Scenario of OAM-based NLOS communication

在本文中，我们提出并实验演示了结合NLOS通信与OAM的无穷维优势的一种方法。该方法在光接受装置处采用特定的神经网络算法去解码非视域下光信号中的信息。实验中，我们演示了一个多用户广播的通信实验，这个场景可以很好的证明该方法在诸如大气、水下通信时的鲁棒性，实验结果如图2所示。由于所使用的算法具有很好的鲁棒性能，所以实验中三个不同位置的接收装置在复原接收到的彩虹图像时，得到了相近的比特准确度，其中最高的一个位置达到了98.91%。图2中P2位置相对较大的涨落是由于该位置探测到的光子计数较少，因为该位置相对于物体的正反射角度具有较大的夹角，探测到的光功率仅有-74.42 dBm。实验中用以产生散射过程的毛玻璃因其较强的漫反射对采用的投影测量方法具有很大的影响，这才实际的大气及水下通信中将得到改善。

Fig. 2 The multi-receivers broadcast experiment to transfer a colorized rainbow image.

随后，我们又针对性研究了通道容量的拓宽程度与测量过程本身的关系。从图3的直方图可以清晰的看出，NLOS通信中比特准确率与OAM通道数量以及投影基数量的关系。显而易见的，当复用编码的OAM通道数量减少时，神经网络算法可以更精密的测量出传输光中的OAM拓扑荷值，这是由于中的相位分布变简单所致。另外，投影基数量的增多可以大大提高测量准确度、降低误码率，因为不同的投影基会测量出获得不同的光强分布中信息。

Fig. 3 Relation between the bit accuracy of OAM-based NLOS communication and the number of projection vectors and multiplexed OAM channels.

实验中使用的单像素探测器方法为结合OAM的无穷维度以及NLOS通信提供了新颖的可能，该方法可以简化系统对光波长的要求。为了进一步改善该方法，制作特定设计的光学元件可以起到并行探测OAM的目的，而若使用光学人工神经网络则可以实现全光运算及操作，以光学速度大大提高NLOS通信速率。除此以外，该方法的通信容量的提升还可以进一步结合波分复用以及偏振复用技术。

综上所述，我们提出了一种使用OAM扩展NLOS通信信道容量的方法。在实验中我们使用单像素探测器实现漫反射下的NLOS通信，基于该投影测量方法，理论上最低的拓扑荷间隔可以小于0.1。在多用户广播NLOS通信演示实验中，<1%误码率已经得到。根据所研究的误码率与信道容量以及投影基之间的关系可以得出结论：该方法可以在扩大训练数据集以及增多测量基矢的情况下进一步提升，这为实时的大容量NLOS通信提供了无限可能。

该成果发表在“Zhanwei Liu, Yiwen Huang, Haigang Liu, and Xianfeng Chen, Non-Line-of-Sight optical communication based on orbital angular momentum, Optics Letters, 46(20), 5112-5115 (2021)”。

原文链接： http://opg.optica.org/OL/abstract.cfm?uri=OL-46-20-5112