涡旋光束所携带的轨道角动量（Optical Orbital Angular Momentum, OAM）是光场的重要基本属性。理论上，轨道角动量的量子数可以取无限多的数值，从而提供无限个正交的OAM本征态，这使得通信系统的容量有望获得无限提升。因此，光学轨道角动量因其突破香农极限的潜力，被视为下一代通信系统中的全新自由度。然而，由于OAM模式在常规光纤中难以稳定传输，目前已有的轨道角动量通信方案主要是在特殊设计的涡旋光纤或者是模式耦合较弱的多模光纤中实现通信，这在一定程度上限制了OAM光纤通信的广泛应用。

在本工作中，我们利用传输矩阵方法，实现了在强模式耦合环境下的多模光纤中的轨道角动量通信。我们先后演示了OAM解复用实验，OAM键控通信实验和OAM复用通信实验。我们在实验上获得了有效且可重复的实验结果，因而验证了本方案的可行性。本研究所展示的方案为在多模光纤中实现叠加OAM模式的解复用提供了一种有效途径，为OAM光纤通信的实际应用铺平了道路。

图1 (a) 未采用传输矩阵方法的结果；(b) 采用传输矩阵方法生成的聚焦OAM阵列；(c) 叠加OAM模式的解复用结果。

在本研究中，我们采用传输矩阵方法来控制涡旋模式在光纤中的传输。图1是利用传输矩阵方法在MMF中实现OAM模式解复用的示意图。入射光束为高斯光束。如图1(a)所示，当不进行调制时，高斯光束经MMF传输后的输出平面强度分布呈现混乱且不规则的形态。在测得传输矩阵后，可通过光学相位共轭方法实现高斯光束或涡旋模式在任意位置的聚焦。图1(b)展示了由不同OAM模式组成的阵列，其拓扑荷数和位置均可灵活控制。如果入射光为复用的涡旋光束，则类似于传统的反拓扑荷匹配方法，经传输矩阵调制后，输出端与入射OAM模式相匹配的涡旋光斑可转化为类似高斯光斑的聚焦点，从而实现MMF中的OAM模式解复用，如图1(c)所示。

图2 (a) 双OAM复用的解复用；(b) 相应的分离准确度；(c) 多OAM复用的解复用

利用所提出的传输矩阵方法，可以在实验中实现多MMF中叠加 OAM 模式的解复用，其对应结果如图2所示。图2(a)展示了双复用OAM模式在经过MMF传输后的解复用过程。当入射模式为两种OAM模式的叠加态时，这两种模式分别在位置A与位置B转换为高斯聚焦点，从而实现了它们的有效解复用。图2(b)给出了相应的分离准确率，其值超过 97%。此外，我们进一步研究了其对更多叠加OAM模式的分离能力。图2(c)展示了对 3、4 和 5 路叠加OAM模式的解复用结果，其分离准确率分别超过95%、90%和87%。上述实验结果具有良好可重复性，进一步验证了所提出的传输矩阵方法在强模式耦合环境下的MMF中实现OAM解复用的有效性与稳定性。

图3 (a) OAM键控通信的编码规则；(b) 传输和实际接收的数据

进一步地，我们在MMF中演示了OAM键控通信和OAM复用通信实验，以更全面地展示该方法的应用潜力。图3展示了在MMF中实现OAM键控通信的实验结果。其具体的二进制编码规则如图3(a)所示：以涡旋模式的存在与否分别对应二进制的“1”与“0”，从而将 6位二进制字节“001011”编码为相应的OAM模式序列。OAM模式在时域上连续变化，形成完整字节。作为原理性验证，本研究演示了双通道OAM键控通信实验：在通道1中传输10位二进制字节“1001001100”，在通道2中传输“0110100110”。实验结果如图3(b)所示，其中蓝色柱状图表示通道1，红色柱状图表示通道2。通过设定阈值，对接收数据进行解码，可在双通道OAM键控通信中实现约5%的低误码率。

图4 (a1) 解复用结果；(a2) 归一化强度的数值结果；(b) 所加载的方波调制信号；(c)-(d) 采样得到的载波信号；(e)-(g) 设置强度阈值后的编码信号及解码信号；(h)-(j) 在不同激光内部调制频率下的载波信号采样结果

在MMF中实现的OAM复用通信的实验结果如图4所示。图4(a1)展示了解复用结果，图4(a2)给出了在不同入射条件下，位置A与B的归一化强度数值结果。所加载的10kHz方波调制信号如图4(b)所示。图4(c)与图4(d)分别为加载解复用相位前后，经滤波后的光束采样载波信号。图4(e)为设置强度阈值后的编码信号，图4(f)和图4(g)则为在设置强度阈值后，加载解复用相位前后的解码信号。结果表明，利用传输矩阵方法可以在MMF中成功实现OAM复用通信。为了更好地展示该方法在MMF中实现OAM复用通信的性能，我们进一步在不同激光内部调制频率下开展实验。结果如图4(h–j)所示，对应的调制频率分别为50kHz、100kHz和200kHz。

该成果发表在“Fengchao Ni, Zhengyang Mao, Haigang Liu, Xianfeng Chen, Orbital Angular Momentum Communications in Commercial Multimode Fiber with Strong Mode Coupling, ACS Photonics 12, 8, 4423-4431 (2025)”。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.5c00816