王 健，陳 詩(shī)

1. 華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心，武漢430074

2. 華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074

20 世紀(jì)70年代，低損耗石英單模光纖（single-mode fiber, SMF）、多模光纖（multi-mode fiber, MMF）和半導(dǎo)體激光器先后研制成功，拉開(kāi)了光纖通信的序幕[1-4]. 其后，在一系列高性能光電器件和光通信技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)下，單根單模光纖的系統(tǒng)容量總體上升了超過(guò)5 個(gè)數(shù)量級(jí)，目前已經(jīng)高達(dá)101.7 Tbit/s[5-7]. 但是由于非線性效應(yīng)的影響，單模光纖的入射功率接近飽和，從而導(dǎo)致單模光纖的系統(tǒng)容量無(wú)法超過(guò)非線性香農(nóng)極限. 與此同時(shí)，隨著5G 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的興起和擴(kuò)張，互聯(lián)網(wǎng)所需數(shù)據(jù)流量逐年高速增長(zhǎng)，可以預(yù)測(cè)在未來(lái)10年將提升近2 個(gè)數(shù)量級(jí)[5,8]. 針對(duì)急劇膨脹的流量需求和單模光纖面臨的容量瓶頸，高速大容量光通信成為發(fā)展的必然趨勢(shì).

追根溯源，光通信技術(shù)實(shí)際上都是圍繞光波的基本物理維度展開(kāi)的，包括偏振、時(shí)間、波長(zhǎng)/頻率、幅度/相位和橫向空間分布[9]，如圖1 所示. 利用這些光波物理維度，催生了各種信號(hào)復(fù)用技術(shù)和信號(hào)先進(jìn)高級(jí)調(diào)制技術(shù)來(lái)有效提高光通信容量，例如基于偏振維度的偏振復(fù)用（polarization-division multiplexing, PDM）技術(shù)、基于時(shí)間維度的時(shí)分復(fù)用（time-division multiplexing, TDM）技術(shù)、基于波長(zhǎng)維度的波分復(fù)用（wavelength-division multiplexing,WDM）技術(shù)、基于橫向空間維度的空分復(fù)用（space-division multiplexing, SDM）技術(shù)以及對(duì)幅度/相位進(jìn)行調(diào)制對(duì)應(yīng)的信號(hào)先進(jìn)高級(jí)調(diào)制技術(shù)[10-11]. 偏振復(fù)用技術(shù)只包含2 個(gè)偏振信道；時(shí)分復(fù)用技術(shù)傳輸信號(hào)的符號(hào)率已經(jīng)達(dá)到T 波特量級(jí)；波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)成功覆蓋整個(gè)C+L 波段且信道間隔密集[6,12]；而信號(hào)先進(jìn)高級(jí)調(diào)制技術(shù)的調(diào)制階數(shù)受限[13]，進(jìn)而限制了系統(tǒng)傳輸速率. 相較于以上傳統(tǒng)維度資源所剩有限的開(kāi)發(fā)空間，空分復(fù)用技術(shù)仍處于探索和發(fā)展階段，還存在極為龐大的潛在通信容量. 近10年來(lái)，基于空分復(fù)用的光纖通信系統(tǒng)傳輸容量已經(jīng)超過(guò)了單模光纖的容量極限[14-15].

圖1 光波基本物理維度Figure 1 Basic physical dimensions of lightwaves

基于橫向空間的類型可以將空分復(fù)用分為兩大類，即空間位置復(fù)用和模式復(fù)用. 前者將不同的橫向空間位置作為通信信道，如圖1 中單模光纖構(gòu)成的光纖光纜和多芯光纖都通過(guò)多芯道傳輸實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容[16-18]；后者則利用正交的多個(gè)模式作為通信信道，故又稱為模分復(fù)用（mode-division multiplexing, MDM），如圖1 中的少模光纖（few-mode fiber, FMF）或多模光纖就是通過(guò)單芯多模傳輸實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容的. 在理想情況下，光纖中支持的不同模式基包括本征模式[19-21]、線偏振（linearly polarized, LP）模式和渦旋模式. 這些模式在理論上都是相互正交的，因此都適用于模分復(fù)用傳輸，而目前在實(shí)際應(yīng)用中通常采用LP 模式和渦旋模式.其中，LP 模式是由兩個(gè)相鄰HE 和EH 模式疊加而成的. 兩種模式的傳播常數(shù)存在差異，因此在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生模式走離，從而導(dǎo)致模式耦合串?dāng)_. 渦旋光則是指具有螺旋相位因子exp(il?)的光束，?為方位角，l為拓?fù)潆姾蓴?shù). 理論上l的取值范圍為任意整數(shù)并且具有不同l的渦旋光相互之間存在正交關(guān)系，即具有獨(dú)特的無(wú)限正交特性[22-25]. 1992年，Allen等發(fā)現(xiàn)具有螺旋相位因子exp(il?)的光束中每個(gè)光子均攜帶大小為l的軌道角動(dòng)量（orbital angular momentum, OAM），因此渦旋光也被稱為OAM光束[25]. 光纖中的渦旋模式則是由兩個(gè)高度簡(jiǎn)并的HE或EH模式的奇偶模合成，奇偶模間的傳播常數(shù)接近相等，因此模式走離的影響相對(duì)較弱. 近年來(lái)，光纖渦旋模式復(fù)用通信研究備受矚目[26-56]. 目前絕大多數(shù)光纖渦旋光通信均采用新型設(shè)計(jì)的環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖，例如各種強(qiáng)導(dǎo)環(huán)形光纖[26-28]、空氣芯環(huán)形光纖[29-32]、反拋物線型環(huán)形光纖[33]、模群弱耦合實(shí)芯環(huán)形光纖[34-36]、光子晶體型環(huán)形光纖[37-39]等以及各種多芯環(huán)形光纖[40-41]和多芯超模光纖[42]等. 該類結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)相鄰模式或相鄰模群間的折射率分離，進(jìn)而減小對(duì)應(yīng)渦旋模式間的耦合串?dāng)_，同時(shí)還能有效抑制徑向高階模式，因此能夠支撐多通道渦旋模式低串?dāng)_穩(wěn)定傳輸[43]. 然而，這類特種光纖普遍具有光纖損耗大、傳輸距離短且工藝復(fù)雜等問(wèn)題，遠(yuǎn)未達(dá)到商用要求. 除了以上各種環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖以外，少模光纖[44-52]或傳統(tǒng)多模光纖[52-54]也能用于渦旋模式復(fù)用通信，其中傳統(tǒng)多模光纖是現(xiàn)階段商用光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的光纖之一，在1 550 nm 通信波長(zhǎng)下能夠支持上百個(gè)渦旋模式且可以劃分為相互分離的多個(gè)模群. 另外一種廣泛鋪設(shè)的光纖為傳統(tǒng)單模光纖，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下也能夠支持多個(gè)渦旋模式. 目前已經(jīng)有許多在傳統(tǒng)多模光纖中實(shí)現(xiàn)多通道LP 模式復(fù)用傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究成果[57-62]. 相較而言，基于傳統(tǒng)多模光纖的渦旋模式復(fù)用通信研究屈指可數(shù)，而基于傳統(tǒng)單模光纖的短波長(zhǎng)渦旋模式復(fù)用通信研究仍待開(kāi)展.

本文將聚焦傳統(tǒng)光纖（傳統(tǒng)單模光纖和多模光纖）中渦旋光復(fù)用通信的研究進(jìn)展. 在簡(jiǎn)要介紹光子基本維度資源和渦旋模式復(fù)用光纖后，將分析光纖中不同模式基的特征和變換關(guān)系以及用于傳統(tǒng)光纖模分復(fù)用傳輸?shù)男阅?；隨后分別探討傳統(tǒng)單模光纖和多模光纖中支持渦旋模式的特性，進(jìn)而重點(diǎn)報(bào)道基于傳統(tǒng)多模光纖的渦旋光復(fù)用通信研究進(jìn)展，并補(bǔ)充介紹利用其他模式基復(fù)用通信的研究進(jìn)展；最后簡(jiǎn)要分析傳統(tǒng)光纖中渦旋光復(fù)用通信的發(fā)展趨勢(shì)并進(jìn)行前景展望.

1 光纖模式的基礎(chǔ)理論

光波在光纖中傳輸時(shí)，橫向光場(chǎng)受限為駐波分布，只有滿足特定共振條件的光束形式才能在光纖中穩(wěn)定傳輸，這些穩(wěn)定存在的光束一般也稱為本征模式. 光纖中支持的所有本征模式可以構(gòu)成一組正交基，其他任何允許穩(wěn)定存在的光場(chǎng)如LP 模式或渦旋模式都是這組正交基的線性疊加，因此LP 模式或渦旋模式也能夠構(gòu)成一組完備正交基. 然而，這3 種模式基的傳播常數(shù)以及強(qiáng)度、相位和偏振等分布特征各不相同，其用于光纖模分復(fù)用傳輸?shù)男阅芤膊煌?

1.1 本征模式矢量解

根據(jù)麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)得到光纖模式的矢量解，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的縱向分量Ez和Hz分別滿足如下方程[63]

式中：r、?、z為圓柱坐標(biāo)；n(r,?)為光纖橫截面的折射率；波的數(shù)目k0= 2π/λ，λ為波長(zhǎng)；β為光纖中縱向傳播常數(shù)，且β=nk0cosθz. 橫向電磁場(chǎng)分量Er、E?、Hr、H?滿足如下方程：

式中，w為角頻率，k0、ε0、μ0分別為真空中波矢、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率. 求解光纖中支持模式的電磁場(chǎng)分布，就是在給定光纖折射率分布n(r,?)的情況下，根據(jù)式(1)結(jié)合電磁場(chǎng)邊界條件求解縱向傳播常數(shù)β和縱向電磁場(chǎng)分量Ez與Hz，然后代入式(2)求出橫向電磁場(chǎng)分量的過(guò)程.對(duì)于給定的光纖結(jié)構(gòu)，可以解出一系列不同的本征值β，每一個(gè)β都對(duì)應(yīng)光纖中允許穩(wěn)定存在的一種電磁場(chǎng)分布，這些電場(chǎng)分布一般稱為導(dǎo)?；虮菊髂Ｊ?，而模式的有效折射率neff直接定義為β/k0.

根據(jù)光纖中支持導(dǎo)模的電磁場(chǎng)分布特征，可以將本征模式分成4 種類型，包括TE0n模式、TM0n模式、HEmn模式、EHmn模式. 對(duì)于TE0n模，其縱向電場(chǎng)分量Ez為0，而縱向磁場(chǎng)分量Hz不為0，稱為橫電模；對(duì)于TM0n模，其縱向磁場(chǎng)分量Hz為0，而縱向電場(chǎng)分量Ez不為0，稱為橫磁模；當(dāng)縱向電場(chǎng)分量Ez和縱向磁場(chǎng)分量Hz均不為0 時(shí)對(duì)應(yīng)的模式稱為混合模，且包含HEmn和EHmn兩種模式類型. 其中，下標(biāo)模式序號(hào)m和n分別表示模場(chǎng)在角向和徑向的變化規(guī)律. 序號(hào)m是指電磁場(chǎng)分量在角向按照cos(m?)或sin(m?)的形式變化；序號(hào)n是指模場(chǎng)強(qiáng)度沿徑向出現(xiàn)的極大值和零點(diǎn)的數(shù)目. 除了HE1n模式呈線偏振分布外，其他本征模式都呈現(xiàn)空間不均勻的復(fù)雜偏振分布，因此根據(jù)以上解析方法精確求解的光纖本征模式也可以稱為矢量模. 需要特別注意的是，當(dāng)m=0 時(shí)，HEmn或EHmn模式均包含兩個(gè)高度簡(jiǎn)并即傳播常數(shù)β相同的奇模（odd mode）和偶模（even mode），且奇模和偶模在空間各點(diǎn)的偏振方向保持相互正交. 盡管本征模式理論上能夠用于光纖模分復(fù)用通信，但是傳統(tǒng)光纖中支持的本征模式都具有高度二重、四重乃至多重簡(jiǎn)并態(tài)，且在傳輸過(guò)程中內(nèi)部擾動(dòng)因素和外部擾動(dòng)因素導(dǎo)致的模式耦合串?dāng)_極其嚴(yán)重，因此難以支撐長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸.

1.2 LP模式的標(biāo)量解

目前大部分商用光纖，例如傳統(tǒng)單模光纖和多模光纖均為弱導(dǎo)型光纖，纖芯和包層間的相對(duì)折射率差不超過(guò)1%. 在弱導(dǎo)條件下，盡管光纖中支持的導(dǎo)模仍舊可以區(qū)分為TE、TM、HE 和EH 模式，但是這些模式的電磁場(chǎng)橫向分量比其縱向分量大許多倍，電磁場(chǎng)分布近似為橫電磁波，此時(shí)光纖中支持的導(dǎo)?？梢院?jiǎn)稱為L(zhǎng)P 模式. 不同于本征模式，LP 模式只具有兩個(gè)正交的線偏振態(tài). 如果選取合適的坐標(biāo)系，就可以使其偏振方向分別沿x軸或y軸方向. 例如當(dāng)沿x軸方向偏振時(shí)，Ey分量恒等于0，Hx分量則近似為0，代入波導(dǎo)場(chǎng)方程可以求解出LP 模式的另外兩個(gè)橫向電磁場(chǎng)分量Ex和Hy滿足如下方程：

式中：a為光纖纖芯半徑；U和W為橫向傳播常數(shù)；Jm為m階第1 類貝塞爾函數(shù)，Km為m階第2 類變態(tài)漢克爾函數(shù)；常數(shù)A的取值與激勵(lì)條件相關(guān). 類似地，當(dāng)沿y軸方向偏振時(shí)可以求得另一組解.

需要注意的是，盡管LP 模式可以在光纖中穩(wěn)定存在，但其本質(zhì)上屬于本征模式的疊加態(tài).在弱導(dǎo)近似情況下，光纖中LP 模式和本征模式間存在如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中，LPmn模式的下標(biāo)模式序號(hào)m和n用于表征其模場(chǎng)分布特性. 序號(hào)m是指徑向電磁場(chǎng)分量包含m階貝塞爾函數(shù)，由此可以判斷模場(chǎng)沿角向的變化規(guī)律，即當(dāng)?從0 到2π 變化一周時(shí)，模場(chǎng)將出現(xiàn)2m個(gè)極大點(diǎn)和2m個(gè)零點(diǎn)，其強(qiáng)度呈現(xiàn)為沿角向的2m個(gè)亮斑；序號(hào)n標(biāo)識(shí)了模場(chǎng)沿徑向取極值的數(shù)目，其強(qiáng)度呈現(xiàn)為沿徑向的n個(gè)亮斑. 當(dāng)m >0 時(shí)，電磁場(chǎng)分量沿角向的變化形式包括cos(m?)和sin(m?)兩種，其線偏振方向可以沿x軸或y軸方向，因此每個(gè)LPmn模式都具有四重簡(jiǎn)并態(tài)；而m=0 對(duì)應(yīng)的LP0n模式僅包含兩種偏振變化，即為兩重簡(jiǎn)并.

與本征模式類似，不同階數(shù)LP 模式之間都是相互正交的，也可用來(lái)加載信息實(shí)現(xiàn)復(fù)用傳輸. 盡管如此，LP 模式屬于近似解，是由兩個(gè)傳播常數(shù)存在差異的本征模式進(jìn)行疊加而成的，因此這兩個(gè)本征模式在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生隨傳輸距離變化的相位差，導(dǎo)致合成的LP 模式不穩(wěn)定，也就是模式走離現(xiàn)象[43,64]，此時(shí)接收端需要采用多輸入多輸出（multiple-input multiple-output, MIMO）等數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing, DSP）技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)[65-68]. 此外，復(fù)用傳輸?shù)亩嘀睾?jiǎn)并LP 模式具有大小相近的傳播常數(shù)，在內(nèi)部或外部擾動(dòng)因素影響下會(huì)產(chǎn)生極其復(fù)雜的非線性模式耦合效應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)用信道間嚴(yán)重的耦合串?dāng)_，因此更需要借助MIMO-DSP 技術(shù)進(jìn)行信號(hào)恢復(fù).

1.3 渦旋模式

如果忽略傳播常數(shù)的差異，光纖本征模式合成LP 模式的過(guò)程可以視作兩種模式基之間的正交變換. 這種正交變換在光纖中并不是唯一的，還存在許多其他的變換形式，如其中一種變換形式就對(duì)應(yīng)渦旋模式. 渦旋模式在光纖中可分為圓偏振和線偏振兩種情況. 其中，圓偏振渦旋模式和本征模式間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下[30]：

式中：上標(biāo)+σ表示左旋圓偏振態(tài)，?σ表示右旋圓偏振態(tài)；±i代表疊加的兩個(gè)HE 或EH 模式的奇偶模間引入了±π/2 的相位差；l對(duì)應(yīng)渦旋模式的拓?fù)潆姾蓴?shù)，其大小與HE 或EH 模式的角向階數(shù)相關(guān)，而其正負(fù)代表兩種相反的螺旋相位波前旋轉(zhuǎn)方向；序號(hào)n為渦旋模式的徑向階數(shù)，與HE 或EH 模式的徑向標(biāo)識(shí)相同，其強(qiáng)度呈現(xiàn)為沿徑向的n個(gè)亮環(huán). 可以看到，由HEl+1,n模式的奇偶模疊加而成的渦旋模式螺旋相位波前旋轉(zhuǎn)方向與自旋角動(dòng)量（spin angular momentum, SAM）[69]方向相同，總角動(dòng)量大小為(l+1) ；由EHl?1,n模式的奇偶模疊加而成的渦旋模式螺旋相位波前旋轉(zhuǎn)方向與SAM 方向相反，總角動(dòng)量大小為(l ?1) . 當(dāng)拓?fù)潆姾蓴?shù)|l| >0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的每個(gè)渦旋模式包含左旋和右旋兩種圓偏振態(tài)以及逆時(shí)針和順時(shí)針兩種螺旋相位波前，即共為四重簡(jiǎn)并；而當(dāng)l=0 時(shí)，HE1n奇偶模合成的0 階渦旋模式不具有螺旋相位波前，僅包含兩種正交圓偏振態(tài)，即為二重簡(jiǎn)并. 需要特別注意的是，由于光纖中簡(jiǎn)并奇偶模式的定義具有隨機(jī)性，如果奇偶模定義與式5(a)和5(b)剛好相反，就存在另外一組同樣合理的合成關(guān)系式，即

除了圓偏振渦旋模式以外，線偏振渦旋模式也是一組實(shí)際應(yīng)用較多的模式基. 實(shí)際上，光纖中不同的模式基之間都可以相互轉(zhuǎn)換，例如LP 模式通過(guò)特定的正交變換也可以得到線偏振渦旋模式，反之亦然；圓偏振渦旋模式進(jìn)行線性疊加也可以得到線偏振渦旋模式. 其中，圓偏振渦旋模式和線偏振渦旋模式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中，渦旋模式的上標(biāo)x、y和L、R 分別表示兩個(gè)正交的線偏振方向以及左旋和右旋圓偏振態(tài).

渦旋模式與LP 模式類似，也是由本征模式進(jìn)行正交變換得到的一組模式基. 不同渦旋模式間滿足正交關(guān)系，因此無(wú)論是圓偏振還是線偏振渦旋模式都可以加載信息實(shí)現(xiàn)復(fù)用傳輸. 相較于本征模式或LP 模式，光纖渦旋模式復(fù)用通信存在諸多優(yōu)勢(shì)：1）渦旋模式具有獨(dú)特的螺旋相位和均勻的偏振分布，便于高效耦合激發(fā)、探測(cè)以及復(fù)用和解復(fù)用，并且復(fù)用解復(fù)用時(shí)不會(huì)引入過(guò)多的模間串?dāng)_. 2）圓偏振渦旋模式由傳播常數(shù)近似相等的簡(jiǎn)并奇偶模合成，模式走離的影響較弱，因此有望降低通信系統(tǒng)接收端的算法復(fù)雜度和消耗成本. 3）渦旋模式的光場(chǎng)呈現(xiàn)均勻的環(huán)狀分布，且不同階次渦旋模式的光場(chǎng)分布形狀類似，有助于實(shí)現(xiàn)小差分模增益的多模光纖放大器.

圖2 示意了光纖中1 階模群支持的4 個(gè)本征模式及其相應(yīng)合成的LP 模式、線偏振及圓偏振渦旋模式的偏振、強(qiáng)度或相位分布. 其中，1 階本征模式包括角向偏振的TE01模式、徑向偏振的TM01模式以及混合偏振的HE21模式的奇偶模. HE21奇偶模間有效折射率差一般約為10?10量級(jí)，即高度二重簡(jiǎn)并，而TE01與TM01間有效折射率差相對(duì)較大，一般約為10?6量級(jí). 此外，更高階模群中支持的相鄰HEl+1,1和EHl?1,1模式亦近似簡(jiǎn)并，因此可以近似為四重簡(jiǎn)并. 1 階LP 模式包括x或y方向偏振的LPa11和LPb11模式，其中，上標(biāo)a和b代表兩個(gè)正交的空間簡(jiǎn)并模，對(duì)應(yīng)1.2 節(jié)中提到的cos(m?)和sin(m?)兩種角向變化. 線偏振和圓偏振渦旋模式則分別包括x或y方向偏振以及左旋或右旋圓偏振的±1 階渦旋模式. 可以看到，1 階渦旋模式的相位在角向方向呈現(xiàn)出0～2π 的均勻變化，即具有螺旋相位波前，光場(chǎng)則因相位奇點(diǎn)的存在而呈現(xiàn)出中心為暗斑的環(huán)狀分布.

圖2 光纖中1 階模群支持的本征模式、LP 模式、線偏振及圓偏振渦旋模式的偏振、強(qiáng)度或相位分布Figure 2 Polarization, intensity or phase distributions of eigenmodes, LP modes, linearly and circularly polarized vortex modes in the first mode group in fiber

2 傳統(tǒng)光纖中渦旋模式特性理論研究

光纖中渦旋模式復(fù)用通信大多采用各種新型設(shè)計(jì)的環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖和少模光纖，然而目前光通信系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用最廣泛的兩種光纖為單模光纖和多模光纖. 傳統(tǒng)單模光纖在1 550 nm 通信波長(zhǎng)下只支持兩個(gè)高度二重簡(jiǎn)并的基模，即HE11的奇模和偶模，因此無(wú)法支撐渦旋模式復(fù)用傳輸. 由于光纖中支持的導(dǎo)模數(shù)量會(huì)隨波長(zhǎng)的減小而增多，可以預(yù)見(jiàn)傳統(tǒng)單模光纖在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下也能夠支持多個(gè)渦旋模式. 與單模光纖相比，多模光纖具有更大的纖芯尺寸，實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)光束對(duì)準(zhǔn)的容忍度更高，可以降低操作成本，并且其相關(guān)通信系統(tǒng)對(duì)發(fā)射和接收端光電子器件的要求較低，價(jià)格也相對(duì)低廉，因而廣泛應(yīng)用于短距離光互聯(lián)場(chǎng)景如數(shù)據(jù)中心等. 同時(shí)，傳統(tǒng)多模光纖在常用通信波段還支持眾多渦旋模式.

2.1 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中可見(jiàn)光渦旋模式[70]

傳統(tǒng)G.652 單模光纖的纖芯和包層半徑分別為4.2μm 和62.5μm，纖芯折射率為階躍型分布，纖芯和包層間的相對(duì)折射率差為0.277%. 圖3(a)給出了傳統(tǒng)單模光纖中支持的導(dǎo)模數(shù)目隨波長(zhǎng)的變化情況. 在紅（632.8 nm）、綠（532.0 nm）、藍(lán)（476.5 nm）3 個(gè)典型的可見(jiàn)光波長(zhǎng)下，光纖分別支持12、20、24 個(gè)模式. 根據(jù)不同模式間有效折射率差的大小，可以將模式分為不同模群. 不同模群間有效折射率差不小于10?4，對(duì)應(yīng)模群間弱耦合. 在紅、綠、藍(lán)3 個(gè)波長(zhǎng)下光纖支持的模群數(shù)目分別為4、6、7，每個(gè)模群中對(duì)應(yīng)的渦旋模式依次為OAM0,1、OAM1,1、OAM2,1、OAM0,2、OAM3,1、OAM1,2、OAM4,1. 圖3(b)展示了20 世紀(jì)80年代初期、后期和現(xiàn)當(dāng)代石英光纖的衰減隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系. 通過(guò)軟件擬合得到了在紅、綠、藍(lán)波長(zhǎng)下的光纖衰減分別約為6.8 dB/km、11.4 dB/km、14.5 dB/km. 當(dāng)傳輸長(zhǎng)度為100 m 和500 m 時(shí)，在3 個(gè)波長(zhǎng)下的光纖傳輸損耗分別不超過(guò)1.5 dB 和7.3 dB. 因此，盡管傳統(tǒng)單模光纖在可見(jiàn)光波段的損耗較大，仍然可以滿足百米級(jí)短距離渦旋模式應(yīng)用的需求.

圖3 傳統(tǒng)單模光纖在不同波長(zhǎng)下支持導(dǎo)模數(shù)目和衰減[70]Figure 3 Guided mode number and attenuation versus wavelength in conventional SMF[70]

圖4 展示了橢圓擾動(dòng)導(dǎo)致的渦旋模式耦合串?dāng)_. 當(dāng)橢圓率為0.1%時(shí)，在紅、綠、藍(lán)3 個(gè)波長(zhǎng)下HE21合成的1 階渦旋模式引起的耦合串?dāng)_全部集中在同一個(gè)模群內(nèi)部，且串?dāng)_值分別不超過(guò)?7.5 dB、?7.9 dB、?8.0 dB；而最高階渦旋模式對(duì)光纖中支持的其他所有模式造成的串?dāng)_全部小于?40 dB. 隨著橢圓率的逐漸增大，模式耦合串?dāng)_也會(huì)增大. 當(dāng)橢圓率為0.5%時(shí)，在紅、綠、藍(lán)3 個(gè)波長(zhǎng)下光纖支持的最低階和最高階渦旋模式給其他模式帶來(lái)的耦合串?dāng)_分別不超過(guò)?3.2 dB 和?27.8 dB、?3.0 dB 和?38.9 dB、?2.8 dB 和?40 dB. 可以發(fā)現(xiàn)，在紅、綠、藍(lán)3 個(gè)波長(zhǎng)下1 階渦旋模式只對(duì)同一個(gè)模群中的其他模式造成串?dāng)_，而在不同模群間幾乎不存在串?dāng)_；高階渦旋模式盡管會(huì)串到其他模群中，但串?dāng)_值非常小. 類似地，在彎曲擾動(dòng)下最低階渦旋模式造成的同一個(gè)模群內(nèi)部串?dāng)_比較大而不同模群間串?dāng)_較小，高階渦旋模式也會(huì)串到其他模群中，但串?dāng)_值很小. 因此，可以基于傳統(tǒng)單模光纖實(shí)現(xiàn)短距離可見(jiàn)光渦旋模群間低串?dāng)_復(fù)用通信.

2.2 傳統(tǒng)多模光纖中通信波段渦旋模式[71]

傳統(tǒng)多模光纖的纖芯和包層半徑分別為25.0μm 和62.5μm，纖芯折射率符合平方律型分布，纖芯中心和包層間的相對(duì)折射率差為1%. 當(dāng)波長(zhǎng)為1 550 nm 時(shí)，傳統(tǒng)多模光纖共支持110 個(gè)本征模式，其有效折射率分布如圖5(a)所示. 可以看到，這110 個(gè)模式根據(jù)有效折射率的大小可以天然地劃分為10 個(gè)模群，同一個(gè)模群內(nèi)部所有模式的有效折射率大小幾乎相等，而不同模群中模式的有效折射率相差較大. 圖5(b)展示了所有相鄰模式間的有效折射率差，其中相鄰模群間有效折射率差大于1.2×10?3，對(duì)應(yīng)模群間弱耦合. 圖5(c)詳細(xì)列出了傳統(tǒng)多模光纖中支持所有渦旋模式的模群分布.

圖4 橢圓擾動(dòng)導(dǎo)致的渦旋模式耦合串?dāng)_[70]Figure 4 Coupling crosstalks for vortex modes caused by ellipticity perturbation[70]

3 基于傳統(tǒng)多模光纖的渦旋模式通信研究

目前基于傳統(tǒng)單模光纖的短波長(zhǎng)渦旋模式復(fù)用通信研究尚待開(kāi)展，而基于傳統(tǒng)多模光纖的渦旋模式復(fù)用通信研究也較少. 傳統(tǒng)多模光纖分為L(zhǎng)ED 光源激勵(lì)的OM1、OM2 多模光纖和新一代對(duì)彎曲不敏感的OM3、OM4 多模光纖. 其中，OM3 和OM4 多模光纖是根據(jù)制造工藝和內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的光纖帶寬大小區(qū)分為不同型號(hào). 現(xiàn)階段利用傳統(tǒng)多模光纖進(jìn)行渦旋模式復(fù)用傳輸主要基于以下兩種方式：1）多模光纖中不同模群間有效折射率差較大，模群間串?dāng)_較小，因此可以利用不同的模群進(jìn)行渦旋模式復(fù)用傳輸，從而提升通信容量，此時(shí)接收端無(wú)需使用MIMO 均衡技術(shù)；2）對(duì)于復(fù)用的多路渦旋模式，根據(jù)所處模群采用模群間低串?dāng)_復(fù)用和模群內(nèi)局部MIMO-DSP 輔助復(fù)用相結(jié)合的復(fù)用方式來(lái)降低系統(tǒng)復(fù)雜性與算法復(fù)雜度.

圖5 傳統(tǒng)多模光纖支持模式的有效折射率和模群[71]Figure 5 Effective refractive index and mode groups in conventional MMF[71]

3.1 傳統(tǒng)多模光纖中渦旋模群復(fù)用傳輸

2017年，文獻(xiàn)[53]在傳統(tǒng)OM3 多模光纖中實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)渦旋模群的2.6 km 復(fù)用傳輸. 由于傳統(tǒng)多模光纖支持?jǐn)?shù)百個(gè)渦旋模式，當(dāng)渦旋模式直接從自由空間耦合到多模光纖中時(shí)，極易激發(fā)出許多不需要的高階渦旋模式. 因此，實(shí)驗(yàn)中將一小段環(huán)形光纖與多模光纖焊接在一起構(gòu)成一種自制的全光纖渦旋模式激發(fā)器，用于高純度、低串?dāng)_的渦旋模式激發(fā)；而在多模光纖輸出端也采用了環(huán)形光纖與多模光纖焊接構(gòu)成的全光纖模式濾波器件來(lái)濾除高階模式. 圖7 為該復(fù)用傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖. 信號(hào)發(fā)射端產(chǎn)生的兩路攜帶20 Gbit/s 正交相移鍵控（quadrature phase shift keying, QPSK）信號(hào)的光束通過(guò)空間光調(diào)制器分別轉(zhuǎn)化為?1 階和2 階渦旋模式，隨后經(jīng)過(guò)合束器合束后耦合進(jìn)自制渦旋模式激發(fā)器的環(huán)形光纖端口，最終激發(fā)多模光纖中相應(yīng)的渦旋模式. 在多模光纖輸出端，首先經(jīng)過(guò)自制模式濾波器濾除高階模式，再依次送入模式解復(fù)用器和信號(hào)接收端.

圖6 彎曲擾動(dòng)對(duì)傳統(tǒng)多模光纖中渦旋模式性能的影響[71]Figure 6 Effects of bending perturbation on performance of vortex modes in conventional MMF[71]

圖7 2.6 km 傳統(tǒng)多模光纖中渦旋模群復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖[53]Figure 7 Experimental setup of vortex mode group multiplexing transmission in 2.6 km conventional MMF[53]

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的2.6 km 傳統(tǒng)多模光纖中渦旋模群復(fù)用傳輸誤碼率曲線如圖8(a)所示. 實(shí)驗(yàn)中使用?1 階和2 階兩個(gè)渦旋模式進(jìn)行復(fù)用傳輸. 這兩個(gè)渦旋模式位于不同模群，而在多模光纖中傳輸時(shí)不同模群間的串?dāng)_較小，因此不必使用MIMO 均衡技術(shù). 實(shí)驗(yàn)測(cè)得?1 階和2 階渦旋模式在誤碼率（bit-error rate, BER）為2×10?3的增強(qiáng)型前向糾錯(cuò)編碼（enhanced forward-error correction, EFEC）門限下的光信噪比（optical signal-to-noise ratio, OSNR）代價(jià)分別小于4.2 dB 和5.5 dB. 圖8(b)為兩個(gè)渦旋模式復(fù)用傳輸?shù)拇當(dāng)_矩陣. 兩個(gè)相鄰模群間的串?dāng)_值較小，約為?13 dB；而同一個(gè)模群內(nèi)部的模式串?dāng)_較大，約為?3 dB.

圖8 2.6 km 傳統(tǒng)多模光纖中渦旋模群復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果[53]Figure 8 Experimental results of vortex mode group multiplexing transmission in 2.6 km conventional MMF[53]

3.2 基于MIMO均衡算法的傳統(tǒng)多模光纖渦旋模式復(fù)用通信

2018年，文獻(xiàn)[54]通過(guò)部分MIMO 均衡算法輔助實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了0 階和1 階共計(jì)6 個(gè)渦旋模式在8.8 km 長(zhǎng)傳統(tǒng)OM4 多模光纖中的復(fù)用傳輸，通信容量為120 Gbit/s. 由于不同模群間的模式串?dāng)_較小，實(shí)驗(yàn)時(shí)在接收端獨(dú)立接收0 階和1 階兩個(gè)模群，因此可以采用簡(jiǎn)化的2×2+4×4 MIMO-DSP 替代傳統(tǒng)的全局6×6 MIMO-DSP，即采用模群間低串?dāng)_復(fù)用和模群內(nèi)局部MIMO-DSP 輔助復(fù)用相結(jié)合的復(fù)用方式. 同時(shí)，由于模群內(nèi)部的模式群延時(shí)差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不同模群間的模式群延時(shí)差，采用模群內(nèi)部局部MIMO 均衡處理還可以減小均衡器中濾波器的抽頭系數(shù)，從而大幅度降低系統(tǒng)接收端的硬件復(fù)雜性與算法復(fù)雜度.

圖9 為該復(fù)用傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖. 在信號(hào)發(fā)射端，攜帶20 Gbit/s QPSK 信號(hào)的光束被分為6路，并通過(guò)調(diào)節(jié)相鄰路徑間的相對(duì)時(shí)延來(lái)解相關(guān). 隨后，前4 路信號(hào)光通過(guò)空間光調(diào)制器轉(zhuǎn)化為4 路1 階渦旋模式，并通過(guò)合束器與另外2 路高斯信號(hào)光合束在一起，再經(jīng)過(guò)1/4 波片轉(zhuǎn)換為圓偏振態(tài)后耦合進(jìn)8.8 km 傳統(tǒng)多模光纖中傳輸. 實(shí)驗(yàn)中將環(huán)形光纖與多模光纖焊接構(gòu)成的全光纖模式激發(fā)器用于高效激發(fā)0 階和1 階渦旋模群，并降低其他模群引起的串?dāng)_. 在多模光纖輸出端，采用另一個(gè)以同樣方法制作的全光纖模式濾波器來(lái)濾除不需要的高階模式，再依次送入模式解復(fù)用器和信號(hào)接收端. 傳統(tǒng)模式解復(fù)用方法是將所有6 個(gè)渦旋模式同時(shí)解復(fù)用再通過(guò)6×6 MIMO-DSP 進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，而該實(shí)驗(yàn)將0 階和1 階兩個(gè)渦旋模群分為兩組獨(dú)立解復(fù)用，其中一組為4 路1 階渦旋模式，另一組為2 路基模即0 階渦旋模式，再分別通過(guò)4×4 MIMO-DSP 和2×2 MIMO-DSP 進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù). 在信號(hào)接收端，采用的是外差相干接收方法以減小光電探測(cè)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量.

圖9 基于部分MIMO 均衡的8.8 km 傳統(tǒng)多模光纖中渦旋模式復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖[54]Figure 9 Experimental setup of vortex mode multiplexing transmission in 8.8 km conventional MMF with partial MIMO equalization[54]

圖10(a)為6 個(gè)渦旋模式復(fù)用傳輸?shù)拇當(dāng)_矩陣. 測(cè)得0 階和1 階兩個(gè)渦旋模群間的串?dāng)_約為?16 dB，可以推斷模式串?dāng)_主要集中在模群內(nèi)部，而不同模群之間的串?dāng)_可以忽略不計(jì).圖10(b)為基于2×2+4×4 MIMO-DSP 的8.8 km 傳統(tǒng)多模光纖中6 路渦旋模式復(fù)用通信的誤碼率曲線圖. 測(cè)得所有6 路渦旋模式在BER 為3.8×10?3的7% FEC 門限下的OSNR 代價(jià)均小于2.5 dB. 該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以下結(jié)論：對(duì)于傳統(tǒng)多模光纖，由于相鄰模群間串?dāng)_較小，基于部分MIMO 均衡能夠?qū)崿F(xiàn)高速信號(hào)傳輸.

4 基于傳統(tǒng)多模光纖的其他模式基通信研究

光纖中支持的本征模式、LP 模式或渦旋模式理論上都是相互正交的，因此三者皆能作為一組模式基用于模分復(fù)用通信. 其中，本征模式在傳輸過(guò)程中的耦合串?dāng)_極其嚴(yán)重，無(wú)法在傳統(tǒng)多模光纖中長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸. 相較于渦旋模式，光纖中LP 模式的復(fù)用通信研究更早，且目前也更為成熟. 事實(shí)上，早期的LP 模式復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)大多正是基于傳統(tǒng)多模光纖.1982年，文獻(xiàn)[60]利用傳統(tǒng)多模光纖首次提出不同模式可用于短距離光纖復(fù)用傳輸. 2000年，文獻(xiàn)[61]在1 km 長(zhǎng)的傳統(tǒng)多模光纖中成功實(shí)現(xiàn)了攜帶獨(dú)立信號(hào)的兩路光束穩(wěn)定傳輸. 但是一方面，LP 模式是由兩個(gè)非嚴(yán)格簡(jiǎn)并的本征模式疊加而成的，因此在傳輸過(guò)程中會(huì)引起模式走離；另一方面，LP 模式一般近似為二重甚至四重簡(jiǎn)并，具有相似的傳播常數(shù)，當(dāng)遇到外界擾動(dòng)或光纖缺陷時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的模式耦合串?dāng)_. 通常N通道LP 模式復(fù)用傳輸時(shí)接收端需要借助N ×NMIMO 均衡技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，而隨著復(fù)用模式數(shù)目的增大，MIMO 的復(fù)雜度將大幅度增長(zhǎng).

圖10 基于部分MIMO 均衡的8.8 km 傳統(tǒng)多模光纖中渦旋模式復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果[54]Figure 10 Experimental results of vortex mode multiplexing transmission in 8.8 km conventional MMF with partial MIMO equalization[54]

2015年，文獻(xiàn)[59]輔以6×6 MIMO-DSP 技術(shù)在310 km 傳統(tǒng)OM3 多模光纖中實(shí)現(xiàn)了6 個(gè)LP 模式結(jié)合60 個(gè)波長(zhǎng)的混合復(fù)用傳輸，該復(fù)用傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖11 所示. 實(shí)驗(yàn)中310 km 傳統(tǒng)多模光纖是由5 盤約8.7 km 長(zhǎng)的傳統(tǒng)多模光纖級(jí)聯(lián)并經(jīng)過(guò)8 次環(huán)路構(gòu)成的. 在信號(hào)發(fā)射端，利用20 個(gè)分布反饋激光器和3 個(gè)Mach-Zehnder 調(diào)制器產(chǎn)生從1 538.98 nm 到1 554.13 nm 的60 個(gè)波長(zhǎng)光載波，頻率間隔為33.3 GHz，調(diào)制格式為30 Gbaud QPSK 信號(hào).隨后，利用光子燈籠作為模式復(fù)用和解復(fù)用器來(lái)分別激發(fā)和檢測(cè)多模光纖中的LP01和LP11模式，并在每盤多模光纖前后兩端自制模式濾波器來(lái)濾除不需要的徑向高階模式. 同時(shí)，為了減小MIMO 均衡算法的復(fù)雜度，在光子燈籠后連接不同長(zhǎng)度的單模光纖以緩解長(zhǎng)距離多模光纖傳輸過(guò)程中的模式延時(shí). 在信號(hào)接收端，則采用6×6 MIMO-DSP 進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù). 系統(tǒng)總的通信容量和頻譜效率分別為18 Tbit/s 和9 bit/(s·Hz).

圖11 傳統(tǒng)多模光纖環(huán)路中的模式復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖[59]Figure 11 Experimental setup of mode multiplexing transmission over multimode fiber loop

此外，傳統(tǒng)OM3 或OM4 多模光纖是通過(guò)850 nm 激光優(yōu)化的，因此在1 550 nm 附近模式色散較大. 對(duì)傳統(tǒng)多模光纖進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，可以使模式群延時(shí)在1 550 nm 波長(zhǎng)處最小.2016年，文獻(xiàn)[57]在該類自主優(yōu)化制作的多模光纖中實(shí)現(xiàn)了攜帶10 Gbaud 雙偏振QPSK 信號(hào)的10 個(gè)LP 模式40 km 復(fù)用傳輸，接收端則輔以20×20 MIMO-DSP 技術(shù). 圖12(a)為該多模光纖的折射率剖面圖. 實(shí)驗(yàn)中采用光子燈籠實(shí)現(xiàn)10 個(gè)LP 模式的復(fù)用和解復(fù)用，并對(duì)多模光纖前后兩端進(jìn)行拉錐以濾除徑向高階模式. 文獻(xiàn)[62]基于自主優(yōu)化制作的多模光纖實(shí)現(xiàn)了9 個(gè)模群共90 個(gè)模式結(jié)合20 個(gè)波長(zhǎng)的26.5 km 混合復(fù)用傳輸，接收端則輔以90×90 MIMO-DSP 技術(shù). 圖12(b)為9 個(gè)復(fù)用模群間的串?dāng)_矩陣. 實(shí)驗(yàn)中傳輸15 Gbaud 雙偏振16 階正交幅度調(diào)制（16-ary quadrature amplitude modulation, 16-QAM）信號(hào)，總的通信容量和頻譜效率分別為101 Tbit/s 和202 bit/(s·Hz).

圖12 基于傳統(tǒng)多模光纖優(yōu)化制作的多模光纖模式復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)[57,62]Figure 12 Mode multiplexing transmission experiment in optimized MMF based on conventional MMF[57,62]

5 展望

通過(guò)上述對(duì)傳統(tǒng)光纖中渦旋光復(fù)用通信的簡(jiǎn)要回顧，可以看到傳統(tǒng)單模光纖和多模光纖能夠有效支撐多通道渦旋模式復(fù)用通信. 盡管目前國(guó)際上更傾向于采用新型設(shè)計(jì)的各種環(huán)形光纖結(jié)構(gòu)，但這類特種光纖普遍損耗較大，制作工藝復(fù)雜，距離商業(yè)應(yīng)用還有很大距離. 相較而言，傳統(tǒng)單模光纖和多模光纖制作工藝成熟，并且在商用光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用極其廣泛，因此可以省去工藝和鋪設(shè)成本. 面向特定短距離大容量的應(yīng)用場(chǎng)景具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是對(duì)光纖渦旋光復(fù)用通信系統(tǒng)的一種重要且有效的補(bǔ)充和完善.

表1 簡(jiǎn)要匯總了傳統(tǒng)光纖中渦旋光復(fù)用通信方式的特點(diǎn). 目前傳統(tǒng)單模光纖中短波長(zhǎng)渦旋模式復(fù)用通信幾乎沒(méi)有開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，而基于傳統(tǒng)多模光纖的渦旋模式復(fù)用通信研究工作也較少. 根據(jù)這兩種傳統(tǒng)光纖中支持渦旋模式的特性可知，實(shí)現(xiàn)渦旋模式復(fù)用通信共有3 種方式.

第1 種復(fù)用方式是利用位于不同模群中的多個(gè)渦旋模式加載信息進(jìn)行復(fù)用傳輸?shù)?，由于光纖中相鄰模群間有效折射率差較大，復(fù)用的多個(gè)渦旋模式間串?dāng)_較小，因此接收端無(wú)需使用MIMO 均衡技術(shù)，但該復(fù)用方式的容量提升空間有限. 事實(shí)上，現(xiàn)有報(bào)道基于傳統(tǒng)多模光纖僅實(shí)現(xiàn)了前兩個(gè)渦旋模群的復(fù)用傳輸. 為了進(jìn)一步增大傳輸容量，未來(lái)需要研究高性能模式激發(fā)器和模式濾波器以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光纖中更高階渦旋模式的完美激發(fā)和不需要的徑向高階模式的濾除. 此外，在光纖傳輸過(guò)程中內(nèi)部或外部擾動(dòng)因素會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)模群內(nèi)部嚴(yán)重的模式耦合串?dāng)_，也就是說(shuō)，每個(gè)模群中傳輸?shù)膯蝹€(gè)渦旋模式會(huì)耦合到模群內(nèi)其他未利用的模式中，因此解調(diào)時(shí)會(huì)損失部分功率.

表1 傳統(tǒng)光纖中渦旋光復(fù)用通信方式的特點(diǎn)Table 1 Characteristics of vortex-multiplexed communications based on conventional fibers

第2 種復(fù)用方式則直接通過(guò)N×N全局MIMO 均衡技術(shù)的輔助實(shí)現(xiàn)不同模群中所有N通道渦旋模式復(fù)用傳輸，從而大幅度提高通信容量，但該復(fù)用方式所需要的MIMO 復(fù)雜度和系統(tǒng)功耗都偏高. 此外，由于傳統(tǒng)光纖中存在的眾多徑向高階渦旋模式的復(fù)用和解復(fù)用技術(shù)還不成熟，未來(lái)還需要重點(diǎn)研制具有高純度、低插損、低串?dāng)_的多通道渦旋模式復(fù)用解復(fù)用器.

第3 種復(fù)用方式充分利用了傳統(tǒng)光纖中模群弱耦合的特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)用的多路渦旋模式，根據(jù)所處模群采用模群間低串?dāng)_復(fù)用和模群內(nèi)局部MIMO-DSP 輔助復(fù)用相結(jié)合的復(fù)用方式，可以在大幅度提高通信容量的同時(shí)降低MIMO 復(fù)雜度. 現(xiàn)有的基于局部MIMO 均衡技術(shù)僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)多模光纖中前兩個(gè)模群中共計(jì)6 個(gè)渦旋模式的復(fù)用傳輸，其限制因素同樣在于傳統(tǒng)光纖中高階渦旋模式的完美激發(fā)以及高性能渦旋模式復(fù)用解復(fù)用器的設(shè)計(jì)研制.

類似地，傳統(tǒng)光纖中LP 模式的復(fù)用通信也存在以上3 種復(fù)用方式，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究主要采用第2 種復(fù)用方式，即進(jìn)行N通道LP 模式復(fù)用傳輸時(shí)接收端直接借助N ×N全局MIMO 均衡技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù). 隨著復(fù)用模式數(shù)目的增大，MIMO 的復(fù)雜度將大幅度增長(zhǎng). 相較于渦旋模式，傳統(tǒng)光纖中LP 模式的復(fù)用通信研究更早，并且其相關(guān)光纖放大器、復(fù)用解復(fù)用器（如光子燈籠）和MIMO 均衡技術(shù)等也更為成熟. 現(xiàn)有報(bào)道基于傳統(tǒng)多模光纖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了9 個(gè)模群中共計(jì)90 個(gè)渦旋模式的復(fù)用傳輸，未來(lái)需要聚焦于局部MIMO-DSP 輔助的復(fù)用方式以及接收端算法的進(jìn)一步優(yōu)化.

除了復(fù)用通信方面的應(yīng)用外，還可以研究探索傳統(tǒng)光纖在編譯碼通信方面的應(yīng)用. 不同于模分復(fù)用技術(shù)，編譯碼通信是直接利用不同的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息編碼的. 單個(gè)碼元可以編碼多個(gè)比特信息，從而有效提升信息容量，但其缺陷在于編碼速率受限. 現(xiàn)有報(bào)道強(qiáng)度調(diào)制到模式編碼調(diào)制的映射，基于傳統(tǒng)多模光纖已成功實(shí)現(xiàn)0 階和1 階渦旋模式的10 Gbit/s 編碼傳輸[72]. 未來(lái)還需要研究集成和小型化的超快編譯碼器件（如光子集成空間光調(diào)制器）以實(shí)現(xiàn)高速和高維度的編譯碼. 此外，還可以探索混合模式，例如LP 模式和渦旋模式的混合編譯碼通信. 最后考慮到未來(lái)光纖網(wǎng)絡(luò)的多樣性，由傳統(tǒng)光纖和各種特種光纖構(gòu)成的異構(gòu)通信系統(tǒng)同樣值得特別關(guān)注.

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)光纖中渦旋光復(fù)用通信的理論基礎(chǔ)和研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述. 針對(duì)模分復(fù)用技術(shù)在解決通信容量危機(jī)方面的顯著優(yōu)勢(shì)以及各種模分復(fù)用光纖和不同正交模式基的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了商業(yè)光纖通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)單模光纖和多模光纖中渦旋模式的特性及其支撐渦旋模式復(fù)用通信的可行性和潛力. 在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要回顧了基于傳統(tǒng)多模光纖的渦旋模式通信研究進(jìn)展，包括傳統(tǒng)多模光纖中渦旋模群低串?dāng)_復(fù)用通信以及模群間低串?dāng)_復(fù)用結(jié)合模群內(nèi)局部MIMO-DSP 輔助復(fù)用通信. 此外，還對(duì)比了在傳統(tǒng)多模光纖中進(jìn)行其他模式基復(fù)用通信的研究進(jìn)展. 最后，對(duì)傳統(tǒng)光纖中渦旋光復(fù)用通信的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望.傳統(tǒng)光纖省去了工藝和鋪設(shè)成本，面向特定短距離大容量的應(yīng)用場(chǎng)景具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但還存在許多技術(shù)難點(diǎn)值得進(jìn)一步深入研究.