大气激光通信：涡旋光实现高维信息编码

撰稿 | 周宜雨（罗彻斯特大学，博士生）

说明 | 本文是由论文作者投稿

大气激光通信是一种利用激光，以自由空间为传播介质进行通信的技术。该技术具有灵活性强，安全性高，通信带宽高等优点。

涡旋光束是指具有螺旋相位、携带轨道角动量的光学空间模式。在自由空间中，其角量子数m理论上可以取任意整数，因此可以用来实现高维信息编码，提升大气通信的传输速率。

然而，涡旋光束在自由空间中传播时，大气湍流会不可避免的改变其角量子数，从而引起误码。实际应用中往往需要用复杂器件，例如自适应光学器件，来补偿湍流效应。然而在目前被报道的室外涡旋光通信实验中，自适应光学器件所取得的补偿效果欠佳。

艺术效果图：大气激光通信

近期，南佛罗里达大学的石志敏教授和罗彻斯特大学Robert W. Boyd研究团队提出了一种利用矢量涡旋光来实现高维编码的通信方案。该方案无需引入任何额外器件来补偿大气湍流，因此能有效降低通信系统的成本和复杂度，使得高速大气涡旋光通信系统成为可能。

艺术效果图：大气激光通信

该成果以“Compensation-free high-dimensional free-space optical communication using turbulence-resilient vector beams”为题发表在Nature Communications。

研究团队所提出的实验方案受到了差分相移键控的启发。在差分相移键控方案中，两个相邻码元之间的相对相位差被用于编码信息。由于相邻码元之间的时间间隔短，作用于相邻码元上的外界噪声可以很容易地被差分运算消除掉，因此差分相移键控具有很强的抗噪声能力。

基于此，研究团队提出了空间偏振差分相移键控的通信方案。在发射端，该方案将角量子数为+m的涡旋光的偏振设置为左旋圆偏振，同时将角量子数为-m的涡旋光的偏振设置为右旋圆偏振，然后将两束光合成为一束矢量涡旋光。接收端并不直接探测角量子数的绝对数值大小，而是探测左旋和右旋偏振光之间的角量子数之差。由于左旋偏振和右旋偏振光是共路传播，会受到相似程度大气湍流的影响，因此角量子数之差对湍流噪声不敏感，从而无需自适应光学器件来对湍流进行额外补偿。

图1展示了实验中所采用的矢量涡旋光的空间偏振结构。我们用(m,±)来表示矢量涡旋光，其中m是发射端所用于编码的角量子数，±则是左旋和右旋偏振态之间的相对相位差（0或者π）。

图1.矢量涡旋光的空间偏振结构

图源：南佛罗里达大学，罗彻斯特大学 | 图译：周宜雨

图2展示了空间偏振差分探测方案。由于矢量涡旋光涉及左旋和右旋两个互相正交的偏振态，因此图2中采用具有双折射效应的相位板来对矢量光进行解调。双折射相位板只调制右旋偏振的光场，而对左旋偏振的光场没有影响。该双折射相位板可以用商用空间光调制器实现。

图2.矢量涡旋光的空间偏振差分探测方案

图源：南佛罗里达大学，罗彻斯特大学 | 图译：周宜雨

该双折射相位板对右旋偏振光增加了一个exp(i2nθ)的螺旋相位，因此右旋偏振光的角量子数从原本的-m变成2n-m。

此时可以看出，若n=m，则矢量涡旋光在双折射相位板的调制下变成了线偏振的涡旋光。线偏振的涡旋光会被随后的偏振光分束器导到平衡探测器中的一个输入端口，因此平衡探测器最终会输出+1或者-1，其符号取决于发射端偏振态之间的相位差±。

若n≠m，则矢量涡旋光的偏振态不会变成线偏振，因此光束会被偏振光分束器分成功率相同的两束光。两束光分别打到平衡探测器的两个输入端口，此时平衡探测器的最终输出值为0。

通过测量所有平衡探测器的输出值，我们可以同时恢复出发射端用于编码的角量子数m以及偏振态之间的相位差±，从而完成信息的解调。

图3是实验装置示意图。在发射端，研究团队用空间光调制器生成和解调矢量涡旋光。在本实验中，研究团队用一个加热板通过加热来产生大气湍流。通过调节加热板的温度，可以在一定程度上控制湍流强度。在接收端，空间光调制器和四分之一波片用来实现双折射相位板的功能。最终的平衡探测器用两个独立的光探测器实现。

图3. 实验装置示意图

图源：南佛罗里达大学，罗彻斯特大学 | 图译：周宜雨

研究团队测试了大气湍流闪烁方差和加热板温度的关系。当加热温度达到200摄氏度时，闪烁方差可以达到接近1.6，说明加热板可以用来生成较强的湍流，从而真实地模拟实际户外条件下湍流对空间光通信系统的影响。

图4展示了在不同加热温度下，接收端解码后的光场偏振分布。当双折射相位板上面的解码螺旋相位n与输入矢量涡旋光m不相等时，解码后的光场仍旧是矢量光。因此，经过偏振分束器之后，光会被分为能量相同的两束光，此时平衡探测器的输出电压值接近于0。当n与m相等时，解码后的光场则变为线偏振光。

图4. 接收端解码后光场偏振分布随加热板温度T的变化关系

图源：南佛罗里达大学，罗彻斯特大学 | 图译：周宜雨

研究团队还对通信协议的误码率进行了测量。结果显示，当使用少量的模式时，由于低阶模式抗噪声性更好，因此误码率更低。当模式数量增加时，由于高阶模式对湍流更敏感，因此误码率会增加。根据测量得到的误码率，研究团队计算了互信息模式数量的变化关系。结果显示，只有当温度高达150摄氏度以上（较强湍流）时，互信息数值才逐渐开始下降。

综上所述，研究团队通过巧妙地利用偏振自由度，首次提出并实验验证了一种无需像差补偿的高维编码通信协议。利用差分探测的抗噪性，该协议能在较强的大气湍流下降低误码率从而较高的互信息数值。

本文所展示的方案有望将现代自由空间光通信系统的信道容量进一步提高，而且相比传统涡旋光通信系统无需任何自适应光学补偿器件，能显著降低通信系统成本和复杂度。

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21793-1