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信息容量的持续迅猛增长使得人们对波长/频率、时间、幅度、相位、偏振这些光波物理维度资源的开发利用接近极致。为了应对即将到来的“容量危机”,研究者将目光聚焦到了另外一个待开发的光波维度,即光波的横向空间维度,通过增加空间中并行的通信信道数目来提高通信系统的容量和频谱效率。涡旋光作为一种具有横向空间分布的光束,在光通信中的应用引起了国内外的广泛关注。涡旋光通常分为相位涡旋光(轨道角动量光束,orbital angular momentum,OAM)和偏振涡旋光(矢量光束,vector beam),对应的光场分别有相位奇点和偏振奇点。由于涡旋光理论上有无穷多个正交模式,可以通过多个涡旋光的复用组成多个通信信道,再与现有复用技术和先进调制格式信号等结合,实现光通信的可持续扩容,为解决“容量危机”提供新途径。本文结合目前的研究进展,在集成芯片、自由空间和光纤中,对相位涡旋光和偏振涡旋光在模式复用、模式编码通信和信号处理几个方面展开了一系列理论及实验研究工作。具体内容如下:(1)涡旋光的基础理论分析和关键技术研究。分别介绍了相位涡旋光和偏振涡旋光的基础理论,光纤中涡旋光的基础理论,以及涡旋光束产生和检测(复用/解复用)的关键技术。提出了一种基于偏振相关液晶空间光调制器(spatial light modulator,SLM)实现偏振无关空间光调制的简单方案,并利用该装置,成功实现了基于偏振无关空间光调制的单个相位涡旋模式传输、相位涡旋模式广播和相位涡旋模式复用通信。(2)研究了基于芯片的相位涡旋和偏振涡旋光通信系统。主要内容有:(1)实验研究了单个涡旋模式在芯片-光纤互连通信系统中的传输,通过高效率的集成涡旋芯片发射7个不同的涡旋模式且加载20 Gbit/s的正交相移键控(quadrature phase shift keying,QPSK)信号,实现了2 km或3.6 km的光纤传输。(2)利用传统强度调制到模式编码调制的映射,同时结合集成涡旋光复用器,实现了15 Gbit/s的高速模式编码。(3)实验研究了偏振涡旋模式在芯片-光纤互连通信中的应用。首先验证了单个偏振涡旋模式在芯片光纤互连通信中的性能,进一步地,研究了偏振涡旋模式复用在芯片-光纤互连通信中的性能。具体方案是通过两个集成涡旋光发射器产生不同的偏振涡旋模式且加载10 Gbit/s的QPSK和20 Gbit/s的16进制正交幅度调制(16-ary quadrature amplitude modulation,16-QAM)信号,实现了2 km少模光纤(few-mode fiber,FMF)的芯片光纤互连偏振涡旋模式复用传输。(4)实验研究了携带模拟信号的l(28)-2,2相位涡旋模式在3.6 km光纤的芯片-光纤互连通信链路中的传输应用。通过测量二次谐波失真(second harmonic distortion,SHD)的无杂散动态范围(spurious free dynamic range,SFDR)对模拟信号链路的性能进行了评估,分析了输入光功率变化引起谐振波长漂移对系统性能的影响。(3)多维多信道及小数阶相位涡旋光通信应用研究。(1)实验研究了多维融合相位涡旋光超高频谱效率的光通信应用,实现了双偏振52个相位涡旋模式(共计104个相位涡旋光信道),结合3个波长复用和5.8 Gbaud的Nyquist 32-QAM信号的高级调制格式的多维多信道超高频谱效率通信,系统通信容量达到8.16 Tbit/s,频谱效率达到435 bit/s/Hz。(2)实验研究了小数阶相位涡旋光的复用通信应用,为了进一步提高涡旋模式通信信道数目,类比密集波分复用(dense wavelength-division multiplexing,DWDM),将复用相位涡旋模式的信道间隔缩小到小于1,加载QPSK/16-QAM信号,首次实现了信道间隔最小为0.6的小数阶相位涡旋模式复用通信。(4)涡旋光通信的中继放大和信号处理研究。(1)涡旋光光纤放大器技术研究。提出并实现了基于环形掺铒光纤的涡旋光光纤放大器,在1530到1565 nm波段范围内,该放大器的小信号增益都高于14 dB。进一步地,将该涡旋光光纤放大器应用于加载有10 Gbaud QPSK或16-QAM信号的涡旋模式复用和波分复用通信系统中,通过测量系统误码率评估放大器性能。(2)相位涡旋模式光纤信息交换技术研究。在l(28)-1,1相位涡旋模式构成的1.1 km光纤空分复用(space-division multiplexing,SDM)通信系统中,实现了灵活可控的全光纤信息交换功能。(3)提出并实验演示了多种基于相位涡旋模式的可重构空间选择光开关功能,分别为相位涡旋模式光交换、空间位置光交换、相位涡旋模式和空间联合光交换。模式交换是指交换不同空间相位,在不同模式之间实现交换;空间交换是指不同空间位置的交换。实验中,我们利用单个SLM实现了4×4的相位涡旋模式和空间光交换。