成电讲堂

　　4月27至28日，电子科技大学第二届国际青年学者论坛在清水河校区举行。来自15个国家和地区的100余位海内外优秀青年学者齐聚成电，畅谈“互联网+”时代的创新创业梦和科技报国理想。主论坛上，来自海内外的6位学者做特邀报告。Science论文一作、美国瞻博网络公司硬件工程师岳洋分享了自己在多所名校和知名企业工作的经历和成果，并介绍了基于轨道角动量模式复用的高速光通讯系统和网络功能的实现。

　　非常高兴有机会和老师同学们在电子科大相见。海外的朋友们都有这样的感触，身在世界的各个角落，在微信上不知道应该说早上好、中午好还是晚上好。感谢电子科大提供了很好的机会，让各个国家顶级的学术大师们齐聚一堂。我在这里只用说一句“早上好！”

　　今天我主要报告的内容是我博士期间在南加州大学做的一些工作，主要是基于轨道角动量模式复用的高速光通信系统和网络功能的实现。

我和我的大学

　　我在南加州大学取得博士学位之后，在一家半导体公司 Global Foundries工作了半年。Global Foundries和中芯国际比较相似，主要做芯片加工。后来我在网络设备公司Juniper Networks工作，它有点像国内的华为公司，主要产品包括网络路由器、交换机及网络安全等。

　　大家都比较关心“Where is and how is USC?”。USC在洛杉矶，这儿还有另外两所学校：UCLA和 Caltech。在准备出国留学时，我对USC并不熟悉，后来通过查阅大量信息才知道USC是一所很不错的学校。在2012年排名中，USC和UCLA不相上下。我相信不少同学喜欢篮球，在洛杉矶有一个很大的斯坦普斯篮球场，洛杉矶湖人队和快艇队在这里训练比赛。如果大家考虑到USC和斯坦普斯球场的距离，也就是和科比的距离，相信在大家心中，USC的分量加重了不少。

光通信的优势和发展前景

　　我做的是光通信，简单地说，就是使用光子来传播信息。电子有正负两极，同极相斥，异极相吸，而光子就没有这个特性，这就决定了光子很适合做通信。像高清的电视、大数据等都需要数据的传输，光通信的应用前景很广阔。光子相对于电子有非常多的自由度，我们可以利用这些不同的自由度，增加通信的容量。同时, 光纤是一个非常低损耗的介质，可以有效实现非常远距离的数据传输。

　　上面提到了光子提供了不同的自由度。首先是时间，它可以提供十倍的容量增加；波分复用，在常规的30到40纳米的波长区间范围内（C波段）我们可以复用上百个信道。另外光有两个偏振，还有强度和相位。对1024QAM的星座图，采用这种调制我们可以得到10个bits的二进制信息。最近几年在光通信领域的一个研究热点就是光纤的模式和空间复用，就像右下角LP模式复用，还有左下角的利用多芯光纤的空间复用。很多做这方面研究的科研工作者都说这可能是光子所能提供的最后一个自由度，不知道是否会成为现实。

基于轨道角动量模式复用的高速光通信系统和网络功能的实现

　　高斯光束的等相位面垂直于光传播的方向，而中间的轨道角动量模式的波前是沿着传播方向旋转的。如果我们垂直于光传播方向切一个截面，就会发现它是沿着圆周n个周期的2Π相位变化的，其中n是它的拓扑电荷数。不同拓扑电荷数的光束之间相互正交，因此我们可以把它作为一个光的自由度进行复用。

　　OAM是一个非常大的领域，有不同的应用，例如光镊、量子光学和显微成像。这几个领域都已经发展了20来年，OAM做光通信相对来说还是一个比较新的研究领域。左上角就是不同OAM模式的相位和强度分布。右上角显示OAM作为一种模式复用的自由度，它和时间、波长、偏振、幅度相位等其它的自由度正交，多种自由度可一并使用。

　　在显示了近10年所有关于OAM论文数量变化情况的统计中，从2005年到2014年的论文，论文总数大概增加到两倍。其中提到用OAM 做通讯应用的论文，从500多篇提高到了1500多篇，实际利用OAM 做通讯应用的文章从25篇增加到将近270篇。从这些数据可以看出，OAM做通讯应用是一个非常新，同时也是非常热的一研究点。

　　下面简单介绍一下OAM模式的产生、探测、复用和解复用。首先是OAM光束的产生，高斯光束打入沿着圆周方向周期变化的相位掩模板，我们就可以产生一个携带轨道角动量的OAM光束。再利用一个相反相位变化的相位掩模板，我们就可以把它从OAM光束转换回高斯光束。实验中，我们通常把高斯光束耦合到光纤做探测。人们常说光电不分家，光通讯很大程度上依赖电的控制。光通信首先是从电信号开始的。“0”“1”比特的二进制电信号，通过电光调制器转换成光信号，下面再把高斯光束调整成不同阶的OAM模式。随后我们把这些模式复用到空间中互相交叠的一个的光束群上，从而可以实现在一个传播轴上来传输。在接收端，我们再把这些OAM模式解复用成空间上分离的高斯光束，再用光电接收机来把光信号转换成电信号来检测。

　　下面我介绍一些自己做的工作：OAM在光纤中传输，在自由空间中传输，以及OAM网络功能的实现。现在的光纤通信领域，模式复用是一个非常火的话题。大多数研究者都是用线偏振（LP）模式。 LP模式在光纤中是由两个本征模组成的，像LP2,1是由一个HE3,1和一个HE1,1模式组成，因为它们的传输速度不同，所以经过光纤的传输后两个模式会有走离。但是OAM0,2模式是由HE2,1(even)以及HE2,1(odd)模式组成的，因为光纤中的传播速度一样，所以它们经过光纤传输后没有走离。这就是OAM模式在光纤传输中最本质的优势，也是因为这点，得到了大家的认可。因为传统的LP模式需要比较复杂的MIMO信号处理，从而实现电上的解复用。而复用的OAM模式可以直接通过光学的方法解复用，分离到不同的空间上来探测。

　　像图中的环形光纤比较适合OAM的传输，减少不同OAM模式的耦合。请看OAM模式在环形光纤中的强度和相位分布图，可以看出它的相位沿着圆周有n个2π的周期变化。下面是我们在实验中实际用到的光纤，环形 结构的光纤中间还是有一个高折射率区域，这个光纤最初设计是用光纤中的基模直接耦合到中间的高折射率区域，再通过光纤光栅来转换到光纤外围环形区域中的OAM模式。下面是我们实验的概念图和结果图。我们做了10个不同波长的信道还有不同强度和相位，两个OAM正负模式。在OAM光纤里面传输。首先是16QAM的信号产生，接下来把高斯光束转换成OAM模式的光束，模式复用，经过光纤传输，模式解复用，最后利用相干探测解调信号。

　　关于实验的结果，我们分别做了两个展示，第一个是单波长，共有4个不同的模式，每个模式上有加载100Gbit/s的QPSK信号的1.1km光纤传输。此外，我们还在10个不同的波长，利用2个OAM模式，加载16QAM信号，最终实现了1.6Tbit/s的光传输。

　　接下来介绍一下利用OAM模式复用在自由空间中实现光通讯的结果。我们之前有些工作展示了OAM模式复用可以实现高光谱效率的自由空间光通讯，可以实现接近100bit/s/Hz。下面这个工作主要展示高通讯容量的实现。我们通过波长、偏振和OAM的三维复用，最终实现了超过100Tbits/s的光通讯系统。这个实验用到2个偏振，42个波长和12个OAM模式，最终我们实现了超过1000个信道的复用。这一工作是由我们实验室的黄皓同学主要承担的。大家从图中可以看到，实验中我们认真地测量了每一个信道，总共有上千个数据点。当我们博士导师看到实验结果时的第一反应是：“你真的是一个个数据测出来的？”这其中包含了非常大的工作量，最终也证明了这是非常有影响力的工作。

　　下面我们简单介绍下OAM网络功能的实现。我们做光通信的人都知道，波长是一个非常好的自由度，波分复用已经用得非常普遍，一个非常关键的器件就是ROADM，它可以加载和下载不同波长的信道。同样，用不同的OAM模式来复用，我们也需要在OAM的维度上对光束进行一些处理，像Add/Drop，我们可以将OAM 拓扑电荷数为l模式上的信号下载，然后加载上新的数据。同样，在一个OAM模式上的信号可以通过Multicast功能加载到多个OAM模式上。下面是一个简单的实验展示，三个OAM模式，交换其中两个模式加载的数据，另一个模式的数据不变。利用这个基本原理，我们可以实现n*n的OAM模式任意交换。我们实验上是利用空间光调制器实现的这个功能，但它的体积比较大，成本也非常高。现在也有一些学校提出并展示了集成光学的OAM模式产生方案，更实用一些。从而我们有可能在一块很小的芯片上实现n*n的OAM模式交换。

　　今天报告的总结：我们前面介绍了复用的OAM模式在光纤和自由空间中实现高容量的数据传输，以及网络功能的实现。OAM复用也是一个非常年轻的研究领域，应该还有很多的机会和前景。谢谢大家。（学生记者团 朱宸骁根据现场录音整理，经本人审阅）