英德等國科學(xué)家共同完成OAM無(wú)線(xiàn)傳輸測試，性能秒殺光纖通信

該技術(shù)通過(guò)量子層面的研究，進(jìn)一步推進(jìn)無(wú)線(xiàn)光信號傳輸的商用化。

近日，英國、德國、新西蘭和加拿大的科學(xué)家團隊共同攻克了在開(kāi)放空間內使用扭曲的光束存在的重大技術(shù)難題，該團隊將關(guān)于此研究成果的論文發(fā)表在了《Science》雜志上。

在傳統的光量子通信中，傳輸過(guò)程是用0和1來(lái)承載信息的，而在這種“扭轉”光子中，它所攜帶的信息不僅僅是0和1，還有附加的信息。因此“扭轉”光子的這種能力使得軌道角動(dòng)量（OAM）技術(shù)具有創(chuàng )造出更高通信帶寬的潛力。

在介紹這項研究之前，我們先來(lái)了解幾個(gè)名詞，以方便閱讀。

光纖與光子

光纖是光導纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導工具。其傳輸原理是‘光的全反射’，這里全反射指的是光由光密介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中的折射率大的）射到光疏介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中折射率小的）的界面時(shí)，全部被反射回原介質(zhì)內的現象。

實(shí)際使用中，光纖的發(fā)射端使用發(fā)光二極管或一束激光將光脈沖傳送到光纖中，光纖的另一端使用光敏元件檢測脈沖信號。

其中，光脈沖就是光源按著(zhù)一定時(shí)間間隔（如0.1s）時(shí)斷時(shí)續的發(fā)光。雖然我們看見(jiàn)的是光的形式，但光其實(shí)是一種電磁波，它的基本單位是光子。當我們考慮光子這一微觀(guān)層面時(shí)，光的質(zhì)量和能量通過(guò)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2是可以計算出來(lái)的。

但在光纖中的光傳播，我們目前對其速度要求沒(méi)有那么高，所以就忽視光本身的質(zhì)量等因素，只考慮傳播過(guò)程中涉及的介質(zhì)因素（如空氣、玻璃等都稱(chēng)為介質(zhì)），不過(guò)基于目前的要求來(lái)看，介質(zhì)因素對光脈沖信號的影響也不大。

光子與量子通信

光子的概念是阿爾伯特愛(ài)因斯坦在1905年至1917年間提出的，這一概念的形成帶動(dòng)了實(shí)驗和理論物理學(xué)在多個(gè)領(lǐng)域的巨大進(jìn)展。其中光子本身具有內秉屬性，例如質(zhì)量、電荷、自旋等。

科學(xué)家一直希望用光子代替電子實(shí)現更快捷安全的光通訊，現在，科學(xué)家們成功證明，他們能更快速地（在幾納秒內）控制與目前光通訊網(wǎng)絡(luò )中所用光波波長(cháng)一樣的光子的路徑和偏振，新光子電路可整合進(jìn)現有的光通訊網(wǎng)絡(luò )中，從而顯著(zhù)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò )的性能。

目前，我們國家已經(jīng)有多條量子通信干線(xiàn)，其中浙江神州量子通信技術(shù)有限公司投資建設的量子保密通信干線(xiàn)“滬杭干線(xiàn)”在七月份就投入使用，并成為我國首條干線(xiàn)。

但值得注意的是，目前已有的量子通信干線(xiàn)只能夠實(shí)現借助于搭建的線(xiàn)纜來(lái)傳輸，在一定的時(shí)間內，這樣的傳輸速度和傳輸容量是足以滿(mǎn)足現有的需求的。但是，等到量子通信的全面普及之時(shí)，人們還是期望可以有無(wú)線(xiàn)的量子傳輸方式出現。

OAM通信

1992年，科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗證實(shí)光子具有軌道角動(dòng)量（OAM）這一基本性質(zhì)，同一頻率的電磁波，理論上可以有無(wú)窮多個(gè)不同OAM的取值。

OAM通信體制研究的核心是把光子軌道角動(dòng)量（OAM）這一尚未利用的電磁波參數維度用于通信，充分利用光子軌道角動(dòng)量大幅度提高通信系統的頻譜效率和容量，以滿(mǎn)足未來(lái)10-20年間通信容量2-3個(gè)數量級的增長(cháng)需求。

據了解，現在信號的調制通常通過(guò)增加天線(xiàn)數來(lái)增加信道，通常手機只能做到兩天線(xiàn)，即將出現的5G通信中的MIMO技術(shù)使天線(xiàn)可以增加到幾百個(gè)，而OAM技術(shù)可以讓信道容量呈指數級增加。

背景|技術(shù)難點(diǎn)

因此，有科學(xué)家稱(chēng)，使用‘扭轉’光束來(lái)無(wú)線(xiàn)傳輸大容量數據（光子的OAM通信），其速度和性能都可以瞬間秒殺光纖傳輸，但是該技術(shù)的完全實(shí)現還存在問(wèn)題。

雖然OAM技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始被使用到電纜的傳輸應用中（如現在國內中興等公司研制的端到端OAM通信技術(shù)），但是在在開(kāi)放的空間內傳輸扭轉的光束對于科學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)極大的挑戰。因為即使空氣中的細微的湍流變化也會(huì )導致自旋信息的丟失。

測試|相位純度控制

在此次研究中，科學(xué)家們在城市環(huán)境中搭建了扭轉光束傳輸的端到端通信鏈路，并對該鏈路中光束的軌道角動(dòng)量（OAM）的相位和幅度進(jìn)行實(shí)時(shí)測試，以評估該量子形式的通信方式的可行性。

據了解，測試的這條通信鏈路選在德國埃爾蘭根，信號傳輸起始點(diǎn)和終點(diǎn)之間的距離有1.6千米，其中穿過(guò)了空地、街道和高樓，以實(shí)現對城市環(huán)境、氣流和氣壓變化的高度模擬。

值得指出的是，不同于此前關(guān)于OAM通信系統的研究，此次該團隊的研究結合了實(shí)際應用場(chǎng)景，詳細探討了環(huán)境對“扭轉”光子的影響，以及該技術(shù)在實(shí)際鏈路傳輸過(guò)程中如何保持相位純度的問(wèn)題。

測試結果中，研究人員利用氣壓變化和信號放大來(lái)描述相位純度的脆弱性，這也指出了自適應光學(xué)系統想要商用需要解決的問(wèn)題。

對于這項研究，格拉斯哥大學(xué)Martin Lavery博士表示：“在全球數據需求以指數速度增長(cháng)的時(shí)代，迫切需要發(fā)現新的信息傳遞方式，以跟上全球數據資源的急速上升。”

總結

研究人員指出，這項研究在邁向高維度自由空間光學(xué)的旅程中邁出了重要的一步，對此，Lavery博士表示：“這些新的進(jìn)展讓我們重新思考環(huán)境對建模方法和自適應光學(xué)系統的要求。這樣，我們才能逐漸開(kāi)發(fā)可以在真實(shí)城市環(huán)境中部署的OAM通信系統。”

最后，值得一提的是，我國也十分重視該技術(shù)的研發(fā)，在2014年，“基于光子軌道角動(dòng)量（OAM）的新型通信體制基礎研究”項目就啟動(dòng)了，據了解，該項目由中山大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、烽火通信科技股份有限公司、浙江大學(xué)和北京理工大學(xué)等6家單位共同承擔，首席科學(xué)家為中山大學(xué)余思遠教授，研究團隊包括孫長(cháng)征、王健、章獻民、李詩(shī)愈等30位科研人員。

最后，記得關(guān)注微信公眾號：鎂客網(wǎng)（im2maker），更多干貨在等你！