英德等国科学家共同完成OAM无线传输测试，性能秒杀光纤通信

该技术通过量子层面的研究，进一步推进无线光信号传输的商用化。

近日，英国、德国、新西兰和加拿大的科学家团队共同攻克了在开放空间内使用扭曲的光束存在的重大技术难题，该团队将关于此研究成果的论文发表在了《Science》杂志上。

在传统的光量子通信中，传输过程是用0和1来承载信息的，而在这种“扭转”光子中，它所携带的信息不仅仅是0和1，还有附加的信息。因此“扭转”光子的这种能力使得轨道角动量（OAM）技术具有创造出更高通信带宽的潜力。

在介绍这项研究之前，我们先来了解几个名词，以方便阅读。

光纤与光子

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。其传输原理是‘光的全反射’，这里全反射指的是光由光密介质（即光在此介质中的折射率大的）射到光疏介质（即光在此介质中折射率小的）的界面时，全部被反射回原介质内的现象。

实际使用中，光纤的发射端使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送到光纤中，光纤的另一端使用光敏元件检测脉冲信号。

其中，光脉冲就是光源按着一定时间间隔（如0.1s）时断时续的发光。虽然我们看见的是光的形式，但光其实是一种电磁波，它的基本单位是光子。当我们考虑光子这一微观层面时，光的质量和能量通过爱因斯坦的质能方程E=mc^2是可以计算出来的。

但在光纤中的光传播，我们目前对其速度要求没有那么高，所以就忽视光本身的质量等因素，只考虑传播过程中涉及的介质因素（如空气、玻璃等都称为介质），不过基于目前的要求来看，介质因素对光脉冲信号的影响也不大。

光子与量子通信

光子的概念是阿尔伯特爱因斯坦在1905年至1917年间提出的，这一概念的形成带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展。其中光子本身具有内秉属性，例如质量、电荷、自旋等。

科学家一直希望用光子代替电子实现更快捷安全的光通讯，现在，科学家们成功证明，他们能更快速地（在几纳秒内）控制与目前光通讯网络中所用光波波长一样的光子的路径和偏振，新光子电路可整合进现有的光通讯网络中，从而显著改进网络的性能。

目前，我们国家已经有多条量子通信干线，其中浙江神州量子通信技术有限公司投资建设的量子保密通信干线“沪杭干线”在七月份就投入使用，并成为我国首条干线。

但值得注意的是，目前已有的量子通信干线只能够实现借助于搭建的线缆来传输，在一定的时间内，这样的传输速度和传输容量是足以满足现有的需求的。但是，等到量子通信的全面普及之时，人们还是期望可以有无线的量子传输方式出现。

OAM通信

1992年，科学家通过实验证实光子具有轨道角动量（OAM）这一基本性质，同一频率的电磁波，理论上可以有无穷多个不同OAM的取值。

OAM通信体制研究的核心是把光子轨道角动量（OAM）这一尚未利用的电磁波参数维度用于通信，充分利用光子轨道角动量大幅度提高通信系统的频谱效率和容量，以满足未来10-20年间通信容量2-3个数量级的增长需求。

据了解，现在信号的调制通常通过增加天线数来增加信道，通常手机只能做到两天线，即将出现的5G通信中的MIMO技术使天线可以增加到几百个，而OAM技术可以让信道容量呈指数级增加。

背景|技术难点

因此，有科学家称，使用‘扭转’光束来无线传输大容量数据（光子的OAM通信），其速度和性能都可以瞬间秒杀光纤传输，但是该技术的完全实现还存在问题。

虽然OAM技术已经开始被使用到电缆的传输应用中（如现在国内中兴等公司研制的端到端OAM通信技术），但是在在开放的空间内传输扭转的光束对于科学家来说是一个极大的挑战。因为即使空气中的细微的湍流变化也会导致自旋信息的丢失。

测试|相位纯度控制

在此次研究中，科学家们在城市环境中搭建了扭转光束传输的端到端通信链路，并对该链路中光束的轨道角动量（OAM）的相位和幅度进行实时测试，以评估该量子形式的通信方式的可行性。

据了解，测试的这条通信链路选在德国埃尔兰根，信号传输起始点和终点之间的距离有1.6千米，其中穿过了空地、街道和高楼，以实现对城市环境、气流和气压变化的高度模拟。

值得指出的是，不同于此前关于OAM通信系统的研究，此次该团队的研究结合了实际应用场景，详细探讨了环境对“扭转”光子的影响，以及该技术在实际链路传输过程中如何保持相位纯度的问题。

测试结果中，研究人员利用气压变化和信号放大来描述相位纯度的脆弱性，这也指出了自适应光学系统想要商用需要解决的问题。

对于这项研究，格拉斯哥大学Martin Lavery博士表示：“在全球数据需求以指数速度增长的时代，迫切需要发现新的信息传递方式，以跟上全球数据资源的急速上升。”

总结

研究人员指出，这项研究在迈向高维度自由空间光学的旅程中迈出了重要的一步，对此，Lavery博士表示：“这些新的进展让我们重新思考环境对建模方法和自适应光学系统的要求。这样，我们才能逐渐开发可以在真实城市环境中部署的OAM通信系统。”

最后，值得一提的是，我国也十分重视该技术的研发，在2014年，“基于光子轨道角动量（OAM）的新型通信体制基础研究”项目就启动了，据了解，该项目由中山大学、清华大学、华中科技大学、烽火通信科技股份有限公司、浙江大学和北京理工大学等6家单位共同承担，首席科学家为中山大学余思远教授，研究团队包括孙长征、王健、章献民、李诗愈等30位科研人员。

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