（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和視頻電話等大流量業(yè)務(wù)的迅速增長，人們對高速率、大容量通信的需求越來越大?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，信息的需求勢必會持續(xù)擴(kuò)增，這也將給現(xiàn)有的通信技術(shù)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在自由空間光通信領(lǐng)域，目前常采用波分復(fù)用、偏分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用等多維度復(fù)用技術(shù)提高系統(tǒng)容量。然而，近些年這些維度資源的開發(fā)幾乎達(dá)到極限，開發(fā)更多的通信資源維度擴(kuò)充通信容量已成為亟須研究的課題[1-7]。目前，一個(gè)全新的研究思路是利用空間維度進(jìn)行多路復(fù)用[8-13]，其中，基于軌道角動量（OAM,orbital angular momentum）的光通信技術(shù)成為如今光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

角動量可分為自旋角動量（SAM,spin angular momentum）和OAM 這2 種。SAM 與波束的偏振特性有關(guān)，OAM 與波束的空間分布特性相關(guān)。這種特殊的空間分布在光學(xué)[14-21]、電磁學(xué)[22-27]、聲學(xué)[28-31]和力學(xué)[32-33]等領(lǐng)域有著一定的應(yīng)用前景，因此吸引著研究者的關(guān)注。1992 年，Allen 等[34]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了具有螺旋形相位波前的光束攜帶OAM，由于光束中心存在相位奇點(diǎn)，光場在相位奇點(diǎn)處相干相消，呈現(xiàn)出中心光場強(qiáng)度為0 的渦旋環(huán)狀場強(qiáng)分布，因此攜帶OAM 光束也常被稱為渦旋光束，其攜帶著相位因子exp(ilΦ)，其中l(wèi)被稱為拓?fù)浜蓴?shù)或OAM 模式值，理論上可以為任意值；Φ為方位角，并且每個(gè)光子攜帶l? 的OAM，? 為約化普朗克常數(shù)。理論上由于OAM 模式可以取任意值；且攜帶不同OAM 模式值的OAM 光束之間相互正交，因此，不同OAM 光束可進(jìn)行無干擾的復(fù)用傳輸和有效的解復(fù)用，使減緩光通信領(lǐng)域的容量危機(jī)成為可能。

高質(zhì)量OAM 光束是OAM 光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前，生成OAM 光束的主要方案分為有源和無源兩類。有源方案通過對激光腔進(jìn)行設(shè)計(jì)，使激光在選定模式上震蕩，獲得質(zhì)量較好的OAM 光束。例如，利用激光增益介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行橫向模式選擇[35]，或是插入特殊設(shè)計(jì)的元器件等[36-37]。無源方案在激光腔外，通過螺旋相位板[38-40]、空間光調(diào)制器（SLM,spatial light modulator）[41-42]、數(shù)字微透鏡[43]、超材料[44-46]等轉(zhuǎn)換器件，將高斯光轉(zhuǎn)化成OAM 光束。無源方案實(shí)驗(yàn)相對簡單，特別是基于空間光調(diào)制器、數(shù)字微透鏡等衍射光學(xué)元件的方案更加靈活，針對不同的通信需求，可以通過修改加載在光學(xué)元件上的相位信息對OAM 光束進(jìn)行調(diào)控。因此在目前的OAM 光通信系統(tǒng)中，無源方案占據(jù)OAM 光束產(chǎn)生方案的主流[38-46]，并推動著OAM 光通信相關(guān)研究不斷向前發(fā)展。

隨著OAM 光束在光通信領(lǐng)域研究的不斷深入，目前對于OAM 光束在自由空間光通信方面的應(yīng)用機(jī)制主要包括2 種：OAM 鍵控（OAM-SK,OAM-shift keying）[47-51]和 OAM 信道復(fù)用（OAM-DM,OAM-division multiplexing）[52-62]。OAM-SK 是將OAM 模式本身作為編碼信息，不同的OAM 模式值代表不同的數(shù)據(jù)比特，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號到OAM 模式的相互映射；OAM-DM 是將不同的OAM 光束作為調(diào)制信號的載波以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用。對于一個(gè)成熟的通信系統(tǒng)，不同信道的變換和操控對提升系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性有著重要的作用，目前這種實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)端到端信號傳輸路徑變換的路由技術(shù)也是OAM 光通信的研究重點(diǎn)之一[63-64]，OAM 路由器件也因此得到了廣泛的研究和卓有成效的發(fā)展。憑借著OAM 光束間的正交性，在不同的OAM 光束進(jìn)行復(fù)用和解復(fù)用時(shí)可以對傳播的OAM 模式值、傳輸所占用的空間域位置和傳輸方向等進(jìn)行有效調(diào)控，因此在網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)處可實(shí)現(xiàn)不同路徑選擇的路由功能。在此基礎(chǔ)上，如圖1 所示，一系列可實(shí)現(xiàn)信道切換、多播、濾波、添加/提取、跳變和模式劃分功能的OAM 路由方案相繼誕生，大大提升了OAM 光通信系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性，推動著OAM 光通信技術(shù)不斷走向成熟。

圖1 OAM 路由功能示意

本文聚焦于OAM 路由領(lǐng)域，詳細(xì)闡述分析了以O(shè)AM 路由器件為核心的可實(shí)現(xiàn)信道切換、多播、濾波、添加/提取、跳變和OAM 模式分割/倍增共6 類功能的OAM 路由方案在近些年的研究成果，最后對OAM 路由器件的研究歷程進(jìn)行了總結(jié)，并對其未來的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

2 可實(shí)現(xiàn)信道切換的OAM 路由器件

在OAM 光通信網(wǎng)絡(luò)中，通過對不同的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行有選擇的操控，可以大幅擴(kuò)展OAM 通信鏈路的傳輸效率。其中一種可實(shí)現(xiàn)信道切換的OAM路由器件可對輸入光束進(jìn)行OAM 模式值的切換操作，從而實(shí)現(xiàn)所搭載數(shù)據(jù)信號之間的有效切換。2012 年，Wang 等[65]利用SLM 對這種OAM 信道切換方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示，其方案原理如圖2(a)所示，該方案將2 個(gè)攜帶不同數(shù)據(jù)（100 Gbit/s）且不同OAM 模式值（l1、l2）的光束入射到一個(gè)加載OAM模式值為lR=?(l1+l2)的反射型SLM 上，此時(shí)OAM光束的模式值被轉(zhuǎn)換成?l2、?l1，然后經(jīng)過SLM 的反射轉(zhuǎn)換，最終以較小的功率代價(jià)實(shí)現(xiàn)了兩路OAM 信道所攜帶數(shù)據(jù)信息的切換。隨后，該團(tuán)隊(duì)利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種OAM 交換機(jī)系統(tǒng)的可行性[66]，實(shí)驗(yàn)中將連續(xù)激光通過差分相移鍵控調(diào)制器，生成100 Gbit/s 的信號并利用光纖時(shí)延分成兩路，分別對應(yīng)2 種不同的OAM 模式，最后將這兩路OAM模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)誤碼率為1×10?9時(shí)，其功率損失低于2.4 dB。該研究內(nèi)容在OAM 光通信業(yè)界產(chǎn)生了極其重要的影響，為后續(xù)研究者在路由器件的設(shè)計(jì)上提供了新思路。但是該方案只是為實(shí)現(xiàn)兩束光束間的數(shù)據(jù)切換的初步嘗試，并未針對多個(gè)OAM 光束切換的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此仍有很大的提升空間。

2013 年，Ahmed 等[67]研究了一種2×2 構(gòu)型的可重構(gòu)OAM 信道切換器，通過利用多個(gè)SLM 將OAM 復(fù)用光束在空間中進(jìn)行分離，并將分離開的光束進(jìn)行重新定向，最后可以有選擇地將OAM 光束重新發(fā)送到不同的輸出端。圖2(b)為2×2 構(gòu)型的OAM 切換器的原理架構(gòu)，該切換器可以為每個(gè)輸入的OAM 光束進(jìn)行重新定向或是直接通過。其中切換器的輸入端和輸出端各有2 個(gè)，首先將輸入的多路復(fù)用OAM 光束進(jìn)行模式下轉(zhuǎn)換，即將OAM光束轉(zhuǎn)換為類高斯光束，此時(shí)其他OAM 光束的模式值也發(fā)生相應(yīng)改變。其次利用特殊設(shè)計(jì)的光束控制相位模式在空間上將高斯光束和OAM 光束分離，并實(shí)現(xiàn)高斯光束與另一條路徑上OAM 光束的同軸復(fù)合。最后再利用可編程SLM 對復(fù)合光束進(jìn)行模式上轉(zhuǎn)換，其中心和外圍相位對應(yīng)不同的OAM 模式，能夠?qū)⒏咚构馐謴?fù)為相應(yīng)的OAM 光束，完成復(fù)合光束的模式上轉(zhuǎn)換和雙OAM 信道的切換。該課題組將兩束OAM 模式分別為l=+4,?4和l=+2,?6 的復(fù)用光束分別應(yīng)用在輸入端口A 和B，經(jīng)過系統(tǒng)切換后兩種復(fù)用光束可完成OAM 模式的任意切換，信噪比低于2.5 dB。這種能靈活操控復(fù)用光束攜帶的OAM 模式的器件可大大擴(kuò)展OAM 通信鏈路的實(shí)用性，為此后OAM 路由器件的研究奠定了基礎(chǔ)，也使越來越多的研究人員對可實(shí)現(xiàn)切換功能的OAM 路由器進(jìn)行了更加深入的研究。

為了進(jìn)一步提高OAM 光通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性，2013 年，Willner 等[68]實(shí)現(xiàn)了如圖2(c)所示的不同OAM 模式與不同偏振模式之間的切換。該方案針對將偏振復(fù)用信號轉(zhuǎn)換為OAM 復(fù)用信號的問題，只需先使用偏振分束器對光束分離，一束利用SLM進(jìn)行向下轉(zhuǎn)換為高斯光束，另一束利用半波片進(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)90°使兩束光的偏振態(tài)保持一致，再使用SLM 將兩束光束轉(zhuǎn)換為攜帶目標(biāo)OAM 模式的光束。當(dāng)輸入信號為具有相同偏振態(tài)的OAM 復(fù)用信號時(shí)，需先將其中一束OAM 光轉(zhuǎn)換為高斯光束，另一束保持環(huán)形，隨后將這兩束光發(fā)射到加載了特殊設(shè)計(jì)全息圖的SLM 上，使兩束光被衍射到不同的方向并攜帶相同的OAM 模式，最后再利用偏振分束器實(shí)現(xiàn)兩束OAM 光束的偏振復(fù)用。對于100 Gbit/s 的正交相移鍵控（QPSK,quadrature phase shift keying）數(shù)據(jù)通道，該方法帶來的功率損耗小于1 dB，而且還可以通過增大OAM 模式值間隔進(jìn)一步減小誤碼率。值得一提的是，該方案不僅能實(shí)現(xiàn)OAM 模式復(fù)用和偏振復(fù)用數(shù)據(jù)信道的重新配置，還能同時(shí)改變光束的OAM 模式和偏振模式，在提升靈活性上為OAM 光通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供了一種新方案。

除了在不同偏振模式上的切換，研究人員后續(xù)又把目光放到了空間位置的切換上。2016 年，Liu等[69]提出了一種可重構(gòu)的OAM 模式和空間切換的方案，如圖2(d)所示，該方案通過利用多個(gè)SLM，可實(shí)現(xiàn)在對輸入OAM 光束模式值進(jìn)行調(diào)控的同時(shí)，對光束空間上輸出位置的任意調(diào)控，從而同步完成OAM 模式切換、空間切換、聯(lián)合OAM 模式和空間切換的任務(wù)。該方案進(jìn)一步擴(kuò)展了光網(wǎng)絡(luò)的利用范圍，提升了網(wǎng)絡(luò)的操控靈活性，但是由于過程中使用了多個(gè)SLM，增加了不同SLM 上加載相位設(shè)計(jì)的難度，并且增加了一定的系統(tǒng)復(fù)雜度和器件成本，這對于對實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性要求較高的高速光通信鏈路系統(tǒng)有一定的制約因素。

上述工作主要利用SLM來實(shí)現(xiàn)OAM路由的功能，盡管利用SLM 生成OAM 光束在轉(zhuǎn)換效率、降低能耗方面具有優(yōu)勢，但切換速度受到器件自身材料屬性限制?，F(xiàn)有空間光調(diào)制器的制作材料大多為液晶，其刷新速率一般很難達(dá)到1 kHz。此外，液晶各向異性的結(jié)構(gòu)特征，使其對不同偏振態(tài)的入射光具有不同的響應(yīng)，即基于液晶材料的SLM 對光束的調(diào)控具有偏振依賴的特點(diǎn)。數(shù)字微鏡是一種新的衍射光學(xué)元件，通過旋轉(zhuǎn)反射鏡實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能。數(shù)字微鏡用于生成OAM 光時(shí)，切換速度能達(dá)到15 kHz，且成本更低。但是數(shù)字微鏡的衍射效率受微鏡間隔和邊長之比的限制，受制作工藝影響，其衍射功率往往低于SLM。大體上來說，當(dāng)對轉(zhuǎn)換效率要求較高時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮SLM；當(dāng)對轉(zhuǎn)換速率要求較高時(shí)，則優(yōu)先考慮數(shù)字微鏡。

2017 年，Lei 等[70]提出了一種使用數(shù)字微鏡代替SLM 的OAM 路由器。他們將該器件應(yīng)用于一個(gè)如圖2(e)所示的基于OAM 選擇的數(shù)據(jù)互聯(lián)的光通信鏈路系統(tǒng)，該光路由器使用了一個(gè)通過數(shù)字微鏡驅(qū)動的二元光柵，打破了傳統(tǒng)的OAM 模式和衍射階的對應(yīng)關(guān)系，不僅可以實(shí)現(xiàn)輸入OAM 模式的相互切換，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多播的功能。總體而言，該方案較好地實(shí)現(xiàn)了OAM 信道切換的路由功能，同時(shí)還利用數(shù)字微鏡的優(yōu)勢，大幅提升了切換速度。目前，人們對高速通信的需求日益迫切，這種高速率的OAM 切換器恰恰符合人們的期望。

目前，可實(shí)現(xiàn)信道切換功能的OAM 路由器件大多是通過控制OAM 光束模式值的改變來切換不同信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。隨著OAM 復(fù)用技術(shù)的不斷發(fā)展，OAM 切換器也從以往只能進(jìn)行2 個(gè)OAM光束間的數(shù)據(jù)切換，發(fā)展成可以進(jìn)行多個(gè)復(fù)合光束之間的數(shù)據(jù)切換。并且，隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，OAM 器件的切換速度也得到了大幅提升，為其在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用增添了優(yōu)勢，使OAM 切換器成了如今復(fù)雜光通信網(wǎng)絡(luò)中的重要器件之一，并擁有廣闊的發(fā)展前景。

3 可實(shí)現(xiàn)信道多播的OAM 路由器件

多播技術(shù)可以將單一信道分散為多個(gè)信道，進(jìn)而可將單信道上的數(shù)據(jù)多播發(fā)送到多個(gè)目的地，從而更好地適應(yīng)多用戶環(huán)境。目前，多播技術(shù)在傳統(tǒng)光通信和OAM 光通信領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用[71-75]。對于OAM 光通信系統(tǒng)而言，其中可實(shí)現(xiàn)多播功能的OAM 路由器件扮演了重要的角色。2013 年，Yan等[76]通過利用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的切片相位模式實(shí)現(xiàn)了OAM 多播功能。如圖3(a)所示，當(dāng)OAM 光束入射到具有n次旋轉(zhuǎn)對稱的角振幅孔徑上，所生成的新光束中會包括多種OAM 光束成分，并且表征這些成分的OAM譜會呈現(xiàn)出類似sinc函數(shù)的分布模式。因此利用此特性，通過使用多種不同切片相位模式的疊加所構(gòu)成的互補(bǔ)切片相位模式，可一次性產(chǎn)生功率均衡分布的不同OAM光束成分，進(jìn)而完成從單OAM光束向多個(gè)模間距相同的OAM 光束的多播轉(zhuǎn)換。該方案的顯著優(yōu)勢在于可以在保持較低的功率損耗下生成所需的不同OAM 模式，但是在實(shí)驗(yàn)過程中需要用到多個(gè)光學(xué)器件，設(shè)備集成性相對較低。

圖2 基于信道切換的OAM 路由器件原理

為提高系統(tǒng)的傳輸效率和設(shè)備集成性，增加路由器件在實(shí)際中的應(yīng)用，針對真實(shí)應(yīng)用情景中不同的用戶可能會對所需的光束功率的要求不盡相同等情況，提升多播功能的靈活性迫在眉睫。2015 年，Li 等[77]在他們先前的工作基礎(chǔ)上提出了如圖3(b)所示的一種功率可調(diào)的多播方案，該方案可通過使用特殊設(shè)計(jì)的復(fù)雜相位圖來生成功率可調(diào)的多OAM 模式疊加的復(fù)合光束。但是在實(shí)際的接收系統(tǒng)中，由于不同OAM 模式反轉(zhuǎn)換光斑大小不同，接收效率也存在差異，因此每個(gè)多播信道的反轉(zhuǎn)換功率可能與目標(biāo)功率存在偏差。為解決上述問題，該課題組通過在發(fā)射端的調(diào)制器件和接收端的解調(diào)器件之間加入一個(gè)自適應(yīng)校正反饋器，接收端可根據(jù)不同的功率需要將所需功率信息以反饋系數(shù)的形式反饋給發(fā)送端，從而來優(yōu)化發(fā)送端SLM 上所加載的復(fù)雜相位全息圖，并由此調(diào)控多播信道中不同信道的功率，從而為提升多播的靈活性做出了貢獻(xiàn)。該工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本一致，并且測量結(jié)果與目標(biāo)值的最大偏差僅為0.5 dB，可以很好地完成功率可調(diào)的多播功能，不過由于其使用的復(fù)合相位全息圖中OAM 模式和衍射階是相互對應(yīng)的關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中會對OAM 模式的選擇造成一些限制。

圖3 基于信道多播的OAM 路由器件原理

為了進(jìn)一步優(yōu)化OAM 多播器件，改變傳統(tǒng)計(jì)算全息圖中衍射階與OAM 模式的固定關(guān)系，2016年，Gao 等[78]提出了一種基于OAM 標(biāo)記的全新路由方案。其實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖3(c)所示，首先將若干高斯光束按特定入射角入射到達(dá)曼渦旋光柵，以保證出射端生成的不同OAM 光束的同軸復(fù)用傳輸。接收端將OAM 光束入射到一個(gè)專門設(shè)計(jì)的計(jì)算全息圖，通過將相對均方根誤差作為計(jì)算全息圖的評價(jià)因子，利用迭代法來優(yōu)化純相位透射率函數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)控該全息圖的相位分布。該方案將入射單一或復(fù)合OAM 光束多播顯示在接收平面的不同位置處，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持了低于1.7 dB的功率波動，并且還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對所需OAM 信道成分的多播、切換和濾除功能，也更好地增加了該路由器件的實(shí)用性。

通過設(shè)計(jì)不同種路由器件和相關(guān)技術(shù)，從最開始在理想環(huán)境中的一對多的多播鏈路到之后考慮各種實(shí)際情況下的多播鏈路，可實(shí)現(xiàn)對多用戶發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行多播的OAM 信道多播技術(shù)正逐漸走向成熟，這為未來多用戶通信場合下OAM 光通信的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4 可實(shí)現(xiàn)濾波的OAM 路由器件

針對不同的應(yīng)用場合，用戶對不同OAM 光束所在信道的需求不盡一致，而當(dāng)用戶對復(fù)用OAM通信鏈路中的特定信道有所需求時(shí)，這就使對依據(jù)所需濾除無用信道而只對特定信道進(jìn)行提取的濾波技術(shù)的研究日益迫切。2014 年，Huang 等[79]基于光學(xué)幾何變換原理設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)OAM 濾波的路由器件。其原理框架如圖4(a)所示，首先將OAM復(fù)用光束發(fā)送到OAM 模式濾波器中，該濾波器包括2 個(gè)負(fù)責(zé)進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換的反射型元件構(gòu)成的模式變換器和一個(gè)負(fù)責(zé)調(diào)控光斑的SLM。基于光學(xué)幾何變換的原理，復(fù)用OAM 光束經(jīng)過模式變換器后，原環(huán)狀分布的光強(qiáng)分布會轉(zhuǎn)換成一系列分布與OAM 模式值一一對應(yīng)的條狀光斑。然后利用一個(gè)凸透鏡將光斑聚焦到焦平面上，在焦點(diǎn)處可編程的SLM 表面被劃分成不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)不同的OAM 模式，該SLM 可對處于不同位置處的光斑進(jìn)行選擇性調(diào)控，使目標(biāo)所需濾除OAM 光束的光斑在通過的同時(shí)其余光點(diǎn)被阻塞反射。最后基于光學(xué)幾何逆變換的原理，對這些被反射的光斑進(jìn)行從光斑到正常環(huán)狀OAM 光束的恢復(fù)，利用分束器分離，至此即完成了復(fù)合OAM 光束中對所需OAM光束成分的濾波操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方案的傳播模式與阻塞模式的輸出功率抑制比超過14.5 dB。但需要指出的是，由于光學(xué)幾何變換存在的固有限制，當(dāng)輸入復(fù)合OAM 光束的模式值間隔為1 時(shí)，經(jīng)幾何變換后的光斑會出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象，這就直接增大了后續(xù)濾除工作的難度，影響最終的濾波效果。

2015 年，Chen 等結(jié)合了干涉儀[80-81]的優(yōu)勢，首次提出了一種基于干涉儀的OAM 濾波實(shí)驗(yàn)方案[82]，通過合理設(shè)置干涉儀中兩道威棱鏡放置位置的相對角度，使上下支路的光路產(chǎn)生lπ 的相位差，從而在接收端利用干涉相長和干涉相消的性質(zhì)將復(fù)用OAM 光束按OAM 模式值的奇偶進(jìn)行分離。在此基礎(chǔ)上，通過級聯(lián)多個(gè)干涉儀并通過控制道威棱鏡的相對角和第四個(gè)半波片的角度，便可實(shí)現(xiàn)濾除其他OAM 模式，并輸出特定的OAM 模式的功能。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖4(b)所示，在理論情況下，該方案能為操控OAM 模式提供一種有用的工具，但是當(dāng)2 個(gè)OAM 模式的差值和道威棱鏡的相對角的乘積與π呈倍數(shù)關(guān)系時(shí)，在濾波過程中將無法區(qū)分這2 個(gè)OAM 模式，濾波功能也隨之失效。

為解決上述工作中存在的不足，實(shí)現(xiàn)OAM 模式的高保真輸出，2019 年，Li 等[83]提出了另一種利用干涉儀的新型OAM 濾波器，在該方案中，通過控制不同OAM 光束的相對相位差來實(shí)現(xiàn)多波束的干涉濾波。其原理如圖4(c)所示，首先利用偏振光分束器將輸入的n個(gè)OAM 復(fù)用光束分成n等份，再利用道威棱鏡控制不同OAM 光束的相對相位差，同時(shí)在此過程中需利用半波板補(bǔ)償各支路界面反射引起的半波損失，并插入一組相位時(shí)延來補(bǔ)償不同光路分支之間的相位差。由于OAM 模式和相位差的關(guān)系滿足，因此只有一個(gè)特定的OAM模式值可以實(shí)現(xiàn)百分百地通過，而其他OAM 模式會被抑制，以此實(shí)現(xiàn)OAM 濾波功能。該濾波器減輕了相鄰OAM 模式的重疊效應(yīng)，并提高了濾波效果，可以在單光子識別和光交換等領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。

圖4 基于濾波的OAM 路由器件原理

OAM 濾波器件通過對復(fù)用OAM 光束的選擇性濾波，能將不需要的OAM 光束進(jìn)行濾除，滿足了光網(wǎng)絡(luò)中特定節(jié)點(diǎn)信道過濾的需求。OAM 濾波器件發(fā)展至今，從開始的只能對模間距較大的OAM 光束濾波，到現(xiàn)在已經(jīng)可以對任意OAM 光束進(jìn)行高保真濾波，在未來光通信網(wǎng)絡(luò)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 可實(shí)現(xiàn)信道添加/提取的OAM 路由器件

實(shí)現(xiàn)對通信信道的有選擇性添加或提取也是光通信鏈路的重要一環(huán)。2013 年，Huang 等[84]提出了一種OAM 分插復(fù)用器，它可以實(shí)現(xiàn)對單個(gè)OAM光束的有效添加和提取。其原理如圖5(a)所示，首先將目標(biāo)OAM 光束進(jìn)行下轉(zhuǎn)換成高斯光束，其他OAM 光束的模式值保持不變。然后利用加載了2個(gè)不同區(qū)域光柵相位的SLM 將復(fù)合光束分離，其中內(nèi)光柵可改變高斯光的衍射方向以實(shí)現(xiàn)同軸復(fù)合光束中心高斯光束的濾除，而外光柵不改變OAM 光束的衍射方向，使對應(yīng)位置處的OAM 光束按正常反射路徑傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)OAM 光束信道的提取。對于增添信道的操作，只需先在OAM光束中添加高斯光束，再利用SLM 的內(nèi)光柵相位將高斯光束轉(zhuǎn)換成為目標(biāo)OAM 光束并調(diào)控其出射角度使之與其余光束相同，即可完成信道的添加。對于100 Gbit/s 的QPSK 數(shù)據(jù)通道，該方案的功率損耗小于2 dB，信道誤比特率僅為2.0×10?3。但需要指出的是，該OAM 路由器件雖然可以靈活地操縱單個(gè)OAM 信道，但在控制多個(gè)OAM 信道提取或添加的問題上由于通道之間的串?dāng)_會增加功率損耗，因此對SLM 分辨率的需求較高，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在著些許挑戰(zhàn)。

為了在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)OAM 信道的增添和提取，2019 年，馮志康[85]研究了一種基于幾何變換的OAM 分插復(fù)用器，成功實(shí)現(xiàn)了對多個(gè)OAM 信道的提取和添加。使用該器件對信道提取的原理如圖5(b)所示，首先基于光學(xué)幾何變換的原理，利用加載了特殊相位的2 個(gè)SLM 和傅里葉透鏡將入射OAM 復(fù)用光束轉(zhuǎn)換為固定位置處一系列的狹長光斑，并且光斑的位置與OAM 模式值相對應(yīng)。之后通過設(shè)置SLM 上的反射相位讓所要提取的目標(biāo)OAM 光束透射，其他OAM 光束維持反射，最后反射光路再經(jīng)過之前的光學(xué)元件完成光學(xué)幾何逆變換使之恢復(fù)成原來的OAM 光束，至此便實(shí)現(xiàn)了對復(fù)合光束中多個(gè)OAM 光束的提取。當(dāng)需要對多個(gè)OAM 光束進(jìn)行添加時(shí)，如圖5(c)所示，先將所需添加的OAM 光束經(jīng)過光學(xué)幾何變換后轉(zhuǎn)換成焦平面位置處的狹長光斑，再通過調(diào)控SLM 使添加的目標(biāo)OAM 光束透射的同時(shí)將其他的OAM 光束反射，經(jīng)相同光路的逆向傳輸后，最后利用分光器和光學(xué)幾何逆變換在輸出端將添加的光束與原光束恢復(fù)成新的復(fù)用OAM 光束，從而完成OAM 光束的添加操作。該方案不僅能同時(shí)實(shí)現(xiàn)OAM 光束的增添和提取，并且可在不影響復(fù)合OAM 光束中其他OAM 模式的情況下，通過引用復(fù)制技術(shù)進(jìn)一步減小光斑寬度，使OAM 光束的能量純度維持在較高水平。

圖5 基于信道添加/提取的OAM 路由器件原理

總體而言，對于可實(shí)現(xiàn)信道添加/提取的路由器件的研究目前仍處于起步階段，相關(guān)的研究還有待進(jìn)一步不斷深入。這些研究從單個(gè)OAM 光束的提取和添加發(fā)展到了可對多個(gè)OAM 光束進(jìn)行提取和添加，一步步地提升了OAM 信道的擴(kuò)展能力，但是在實(shí)驗(yàn)過程中，由于對于模間距較小的多OAM光束進(jìn)行提取或添加時(shí)所產(chǎn)生的信道間串?dāng)_會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，因此如何對這種可實(shí)現(xiàn)信道添加和提取的OAM 路由器件進(jìn)行后續(xù)的完善仍是未來研究的重中之重。

6 可實(shí)現(xiàn)信道跳變的OAM 路由器件

OAM 路由器件的種類多樣，除了上述的眾多類別外，一種可進(jìn)行信道跳變的器件逐漸進(jìn)入人們的視野[86]，其可用于可重構(gòu)的多址網(wǎng)絡(luò)中來實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)間窗口輸出不同的OAM 模式。這種可實(shí)現(xiàn)信道跳變的OAM 路由器件由Willner等[87]于2015 年提出，如圖6 所示，其原理可類比于傳統(tǒng)通信中的跳頻技術(shù)，通過控制跳?？刂破骺梢允鼓繕?biāo)OAM 模式在一個(gè)特定的時(shí)間段從一個(gè)特定的輸出端口輸出，實(shí)現(xiàn)基于OAM 的信道跳變。該方案中通過利用數(shù)字微鏡取代SLM，有效提升了信道跳變速度，可有效應(yīng)用在多址光網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)信道占據(jù)的空間模式任意路由數(shù)據(jù)流。實(shí)驗(yàn)證明，攜帶4 種OAM 模式的信號以100 Gbit/s 的速率進(jìn)行QPSK 數(shù)據(jù)通道的可重構(gòu)跳變（該跳變具有2 ns 的交換保護(hù)時(shí)間）時(shí)，通過改變其跳變速率和OAM 模式間隔，功率損耗均小于5.3 dB。

圖6 基于OAM 模式的空間域信道跳變原理

7 可實(shí)現(xiàn)OAM 模式分割/倍增的路由器件

在基于OAM 的新型光通信鏈路中，通過操縱OAM 光束的模式值能夠提高信號在信道中傳輸?shù)目煽啃裕鐚AM 模式進(jìn)行倍增可以減少信道的串?dāng)_、減少OAM 光束的模間距可以提高系統(tǒng)效率?；诖?，2015 年，Zhao 等[88]提出了一種基于兩步線性光學(xué)坐標(biāo)變換的OAM 倍增/減半器。其原理和實(shí)驗(yàn)裝置如圖7(a)所示，對于OAM 倍增器，首先通過光學(xué)幾何坐標(biāo)變換將OAM 光束轉(zhuǎn)化成處于2 個(gè)不同位置的矩形平面波，再通過幾何逆變換將這2 個(gè)攜帶相位相同的矩形平面波合成一個(gè)OAM 光束，從而實(shí)現(xiàn)OAM 光束的相位倍增；對于OAM 減半器，開始同樣進(jìn)行幾何坐標(biāo)變換將OAM光束轉(zhuǎn)換成矩形平面波，再橫向截取矩形平面波一半的相位變化，最后通過幾何逆變換將截取的矩形平面波恢復(fù)成OAM 光束，實(shí)現(xiàn)了OAM 模式減半的功能。該方案對特定范圍內(nèi)的OAM 模式有很好的倍增和減半效果，但只能將OAM 模式減小一半，對OAM 模式劃分的靈活性仍需進(jìn)一步去完善。

針對上述工作存在的困境，2017 年，Zhou 等[89]提出了一種基于光學(xué)幾何變換的OAM 分頻器，該裝置可以實(shí)現(xiàn)對OAM 模式的任意劃分。其原理如圖7(b)所示，該器件由直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器和反轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。首先利用直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行幾何坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將OAM 光束轉(zhuǎn)換成具有橫向相位梯度的矩形平面波，再利用反轉(zhuǎn)換器進(jìn)行坐標(biāo)反變換，將矩形平面波轉(zhuǎn)換成多個(gè)級次的衍射光束，其中心部分轉(zhuǎn)換成環(huán)形光束并在零階輸出，其余衍射階舍棄。由于零階衍射光輸出的OAM 光束是輸入OAM 光束和縮放參數(shù)乘積后的結(jié)果，因此可以通過控制零階OAM 光束輸出的模式值大小實(shí)現(xiàn)OAM 光束模式值的任意分配。該工作中還進(jìn)一步擴(kuò)展了研究結(jié)果，將第一步得到的矩形平面波進(jìn)行n等分，再分別對n等分后的光斑進(jìn)行坐標(biāo)逆變換，使輸出端在不同位置可以分別得到不同的OAM 光束，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對OAM 光束的n等分。該工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果保持了良好的一致性，但是由于坐標(biāo)變換需要進(jìn)行多次的光學(xué)操作，仍然存在著所需光學(xué)器件不容易集成化的問題。

2019 年，Ruffato 等[90]提出了一種可實(shí)現(xiàn)OAM模式分割和倍增的全新路由方案。其原理如圖7(c)所示，首先基于光學(xué)幾何變換，將輸入OAM 光束的相位梯度映射到n個(gè)互補(bǔ)的扇形區(qū)域，每個(gè)扇形區(qū)域?yàn)閭€(gè)圓，再將n個(gè)互補(bǔ)的扇形區(qū)域變換結(jié)合，形成一個(gè)新的圓形相位梯度，最后經(jīng)過相位校正器校正相位，實(shí)現(xiàn)OAM 光束的n倍增長；當(dāng)需要對OAM 模式進(jìn)行n等分時(shí)，只需先將輸入OAM 光束的相位梯度利用分頻器分割到n個(gè)互補(bǔ)的扇形區(qū)域里，然后將n個(gè)扇形區(qū)域映射到n個(gè)不同位置的圓形區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對OAM 光束的劃分。在該方案中，只需要級聯(lián)2 個(gè)共焦點(diǎn)的光學(xué)元件，極大程度地減少了光學(xué)操作的次數(shù)，并且可以對傳播的OAM光束提供相位校正，顯著提高了光學(xué)效率。該方案中，以高分辨率電子束刻蝕技術(shù)制作光學(xué)元件，成功演示了對多種OAM 模式分隔和倍增的功能。在此基礎(chǔ)上，該課題組還提出了一種緊湊的光學(xué)結(jié)構(gòu)，將光學(xué)變換和相位校正2 種功能集成在同一基板上，進(jìn)一步優(yōu)化了器件的對準(zhǔn)性和小型化。

圖7 基于模式分割/倍增的OAM 路由器件原理

OAM 倍增/分割器件發(fā)展至今，正朝著微型化和集成化方面發(fā)展，與當(dāng)今光通信中對器件的要求不謀而合。并且由于光學(xué)器件數(shù)量的減少，在進(jìn)行OAM 光束劃分和倍增時(shí)的效率也得到了顯著提升。

8 結(jié)束語

隨著5G 時(shí)代的到來，人們對通信數(shù)據(jù)的需求量與日俱增，而OAM 光束憑借其正交特性可進(jìn)行高效的復(fù)用和解復(fù)用，這為提升通信容量提供了一個(gè)新的維度，因此吸引了國內(nèi)外許多研究人員的關(guān)注。隨著OAM 光通信技術(shù)的深入發(fā)展，OAM 的路由器件在提升光通信系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性等方面發(fā)揮了重要作用。本文對OAM 路由器件進(jìn)行了綜述，根據(jù)路由器件對OAM 光通信網(wǎng)絡(luò)中的不同路由功能進(jìn)行了劃分，包括可進(jìn)行信道切換、多播、濾波、添加/提取、跳變和OAM 模式分割/倍增6 類OAM 路由器件，并對不同路由器件的原理及發(fā)展歷程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

當(dāng)下，在實(shí)現(xiàn)OAM 路由功能時(shí)，往往需要對信道中的多種OAM 模式值進(jìn)行改變，同時(shí)也需要考慮實(shí)際情況下大氣湍流引起的信道串?dāng)_。因此為提高OAM 光束在光鏈路中應(yīng)用的靈活性，往往需要OAM 路由與新型OAM 技術(shù)相結(jié)合。隨著研究的不斷深入，OAM 路由器件的發(fā)展取得了一系列重要的突破成果，但由于目前使用的許多光學(xué)元器件體積較大，而且在許多OAM 路由器件中，往往需要進(jìn)行多次光學(xué)操作，這不利于OAM 路由器件的小型化。因此，為了提升光通信系統(tǒng)的性能，OAM 路由器件應(yīng)該朝著集成化和微型化的方向發(fā)展。同時(shí)，高轉(zhuǎn)換效率也是當(dāng)代OAM 光通信領(lǐng)域的重要需求之一，當(dāng)前一些基于衍射的路由器件，由于整體能量利用效率不高限制了進(jìn)一步推廣，并且基于可編程調(diào)控的SLM 和數(shù)字微鏡等裝置的路由器件，在調(diào)制響應(yīng)速率方面也還有較大的進(jìn)步空間，因此在以后的高集成度的OAM 路由器件中，人們需要關(guān)注更高的能量轉(zhuǎn)換效率和調(diào)制響應(yīng)速度。

總之，實(shí)現(xiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中路由功能的OAM路由器件已經(jīng)獲得了眾多研究者的關(guān)注和研究，盡管目前依然有些許問題需要進(jìn)一步去完善解決，但隨著國內(nèi)外研究者的不斷投入，相信未來會有更多功能、更加完善的OAM 路由器件問世，并逐步推動著OAM 光通信這一領(lǐng)域不斷地向前發(fā)展。