我国科研团队在自由空间结构光通信领域取得重要进展

近日，武汉光电国家研究中心王健教授领导的多维光子学实验室（Multi-Dimensional Photonics Laboratory, MDPL）团队在自由空间结构光通信领域取得重要进展，相关研究成果以《传播容忍的自由空间非本征模通信》（Propagation-tolerant free-space non-eigenmode communications）为题发表于《光学》（Optica）。该研究围绕空间模分复用中的一个基础问题展开：承载信息的光学模式，是否必须在传播过程中始终保持自身结构不变，才能被可靠接收？研究团队给出的答案是否定的。通过将模式的定义与解调从传统实空间转移到k空间（波矢空间），研究团队建立了一种面向自由空间非本征模的传播容忍通信框架，使那些在实空间中会发生显著结构演化的光场，仍然可以在接收端被稳定地恢复信息。

从电报、无线电到光纤和自由空间光通信，人类信息传输能力的每一次跃迁，都与对“可用自由度”的进一步开发密切相关。现代光通信已经能够同时利用光的频率、时间、偏振和空间结构承载信息，其中模分复用（MDM）被认为是继续提升光链路信息容量的重要方向。不同空间模式可以像多条彼此独立的“光学车道”一样，在同一物理孔径中并行传送多路数据。过去二十余年，轨道角动量（OAM）、Laguerre-Gaussian（LG）等模式成为空间光通信研究的核心载体，一个几乎默认的设计原则也随之形成：只有在自由空间传播中保持横向结构稳定的传播本征模，才适合作为可靠的通信模式。

然而，这一原则也在无形中限制了空间模式通信的设计边界。空间结构光场拥有远比传统整数阶本征模更加丰富的状态空间，大量具有连续参数、非对称结构或复杂奇点拓扑的光场，本质上都不是自由空间传播本征模。以分数阶涡旋光为例，其拓扑荷可以连续调节，因而能够提供比整数阶涡旋更灵活的模式间隔和更密集的状态设计；但它在传播过程中会发生相位奇点分裂和场结构重构，使传统相位共轭接收器逐渐失配，并由此产生严重的模式串扰。由此产生了一个更根本的问题：通信的稳定是否真的等价于光场结构的稳定？如果一个光场在传播中不断变化，但其承载信息的特征仍然可以在某个合适的表象域中被确定性恢复，它是否同样可以成为通信模式？

该研究正是从这一问题出发，提出了一种不同于传统思路的解决方案：不是强行要求非本征模在实空间传播过程中保持不变，而是重新选择模式定义和接收解调所在的物理表象域。在傍轴自由空间传播条件下，光场的k空间角谱只会积累一个确定性的二次相位，而其角谱幅度分布以及其中的结构奇点保持不变。因此，即使对应的实空间光场已经发生显著演化，只要在接收端通过傅里叶变换重新进入k空间，并补偿传播积累的确定性相位，原始模式仍然可以被匹配识别。换言之，该工作将通信设计的核心要求从“传播中结构不变”转变为“信息特征在解调域中可恢复”。

图1.传播容忍自由空间非本征模通信概念图。传统实空间模式复用依赖传播后的相位共轭匹配；非本征模在实空间传播中会发生奇点分裂与结构退化，而在k空间中其结构奇点保持，可通过确定性传播相位补偿实现匹配解调。

图1展示了这一概念框架。自由空间 MDM 系统首先将多路独立数据分别加载到不同空间模式上，再将它们同轴复用后共同传播，并在接收端完成解复用和模式解调。在传统实空间方案中，模式上变换和下变换均直接作用于实空间场分布，接收端通常使用与发射模式相共轭的相位结构进行匹配。因此，接收器天然偏好能够在传播中保持相位结构稳定的本征模。对于整数拓扑荷涡旋模式，其中心相位奇点在传播后仍然保持；而对于分数阶涡旋等非本征模，不同本征分量在传播中积累不同的相对相位，导致原有高阶奇点发生分裂，接收场与初始共轭模板不再匹配，从而引发串扰。

在研究团队提出的k空间方案中，结构模式首先在角谱域中定义，再通过傅里叶变换形成实际发射场。接收端使用傅里叶透镜把传播后的光场映射回k空间，随后利用包含目标模式共轭相位和自由空间传播相位补偿的解调全息图完成匹配。由于自由空间传播不会改变角谱的幅度结构和奇点拓扑，非本征模即使在实空间中已经发生明显重构，其k空间结构仍然保持可识别。研究团队进一步将不同模式的相位结构加载到统一的高斯k空间幅度包络上，使正确解调后的输出可以聚焦成紧凑的近高斯光斑，从而高效耦合进入单模光纤。

图2. 实空间与k空间模式解调性能对比。非本征模在实空间传播后产生奇点分裂和传播诱导串扰；k空间解调保持奇点结构和模式正交性，并显著抑制传播诱导串扰。

图 2 从模式解调效率和传播串扰两个层面进一步说明了这一方案的优势。对于常规整数 OAM 本征模，传统实空间“相位展平+单模光纤耦合”的接收方式虽然可以去除螺旋相位，却无法去除随模式阶数增加而不断扩大的环形幅度分布。经过聚焦后，越来越多的能量进入中心主瓣之外的旁环，高阶模式因此产生明显的耦合损耗。相比之下，k空间方案让不同阶数模式共享相同的高斯角谱包络，正确解调后均可获得尺寸近似一致的近高斯聚焦光斑，因此其接收效率几乎不随模式阶数变化。

对于分数阶涡旋，实空间传播会使分数阶涡旋的奇点结构发生重排，使本应彼此区分的模式在接收端产生明显的能量泄漏；而在k空间中，原有奇点结构得以保持，目标模式解调后形成明亮的中心光斑，非目标模式则保持清晰的中心暗核，从而维持模式间的可区分性。实验中，k空间方案在所测试的模式集合中将最大模式串扰控制在-20 dB 以下；对于半整数模式集合，其平均串扰相较传统实空间解调降低约10 dB。同时，传统实空间方案中高阶模式相对于基模出现了约15 dB的接收功率下降，而k空间方案基本消除了这种随模式阶数增加的系统性功率惩罚。研究团队进一步采用20-Gbaud 16-QAM信号演示了两模复用数据传输实验。结果显示，对于拓扑荷1.5和2.5的两路分数阶模式，传统实空间方案相对于背靠背传输的OSNR代价分别上升至约4.7 dB和8.1 dB，其中高阶通道的BER曲线已经出现明显变平；而k空间方案对两路模式均只引入约1 dB的复用代价，BER曲线仍能随 OSNR 提升而稳定下降。

研究团队指出，该研究思路未来可进一步拓展到更复杂的非对称结构光、随机空间模式等问题。对于工程系统，可结合多平面光转换、衍射光学模式转换器、超表面和集成光子空间处理器，实现更大规模的模式复用与多端口解复用。该研究表明，空间结构光通信中真正决定通信可靠性的，不是光场在传播中是否保持模场不变，而是其中承载信息的模式特征是否仍能被确定性地区分和恢复。这一观点将通信模式的设计空间从离散的、结构稳定的模式集合扩展到更加广泛的连续参数和非本征结构光状态，为更加灵活的高维模式设计和高密度模式复用提供了新的路径，并为下一代高容量自由空间光互联和高维光信息处理提供了新的思路。

武汉光电国家研究中心和光电信息学院为论文第一单位，万镇宇和颜国锋为论文的共同第一作者，王健教授为论文通讯作者。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金及湖北光学基础研究中心开放项目等支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.610779