基于传统光纤的涡旋光复用通信研究进展

王 健，陈 诗

1. 华中科技大学武汉光电国家研究中心，武汉430074

2. 华中科技大学光学与电子信息学院，武汉430074

20 世纪70年代，低损耗石英单模光纤（single-mode fiber, SMF）、多模光纤（multi-mode fiber, MMF）和半导体激光器先后研制成功，拉开了光纤通信的序幕[1-4]. 其后，在一系列高性能光电器件和光通信技术的发展推动下，单根单模光纤的系统容量总体上升了超过5 个数量级，目前已经高达101.7 Tbit/s[5-7]. 但是由于非线性效应的影响，单模光纤的入射功率接近饱和，从而导致单模光纤的系统容量无法超过非线性香农极限. 与此同时，随着5G 移动互联网、大数据、云计算、人工智能和物联网等技术的兴起和扩张，互联网所需数据流量逐年高速增长，可以预测在未来10年将提升近2 个数量级[5,8]. 针对急剧膨胀的流量需求和单模光纤面临的容量瓶颈，高速大容量光通信成为发展的必然趋势.

追根溯源，光通信技术实际上都是围绕光波的基本物理维度展开的，包括偏振、时间、波长/频率、幅度/相位和横向空间分布[9]，如图1 所示. 利用这些光波物理维度，催生了各种信号复用技术和信号先进高级调制技术来有效提高光通信容量，例如基于偏振维度的偏振复用（polarization-division multiplexing, PDM）技术、基于时间维度的时分复用（time-division multiplexing, TDM）技术、基于波长维度的波分复用（wavelength-division multiplexing,WDM）技术、基于横向空间维度的空分复用（space-division multiplexing, SDM）技术以及对幅度/相位进行调制对应的信号先进高级调制技术[10-11]. 偏振复用技术只包含2 个偏振信道；时分复用技术传输信号的符号率已经达到T 波特量级；波分复用技术已经成功覆盖整个C+L 波段且信道间隔密集[6,12]；……