英德等國科學家共同完成OAM無線傳輸測試，性能秒殺光纖通信

該技術通過量子層面的研究，進一步推進無線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家團隊共同攻克了在開放空間內使用扭曲的光束存在的重大技術難題，該團隊將關于此研究成果的論文發表在了《Science》雜志上。

在傳統的光量子通信中，傳輸過程是用0和1來承載信息的，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量（OAM）技術具有創造出更高通信帶寬的潛力。

在介紹這項研究之前，我們先來了解幾個名詞，以方便閱讀。

光纖與光子

光纖是光導纖維的簡寫，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（即光在此介質中的折射率大的）射到光疏介質（即光在此介質中折射率小的）的界面時，全部被反射回原介質內的現象。

實際使用中，光纖的發射端使用發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一定時間間隔（如0.1s）時斷時續的發光。雖然我們看見的是光的形式，但光其實是一種電磁波，它的基本單位是光子。當我們考慮光子這一微觀層面時，光的質量和能量通過愛因斯坦的質能方程E=mc^2是可以計算出來的。

但在光纖中的光傳播，我們目前對其速度要求沒有那么高，所以就忽視光本身的質量等因素，只考慮傳播過程中涉及的介質因素（如空氣、玻璃等都稱為介質），不過基于目前的要求來看，介質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因斯坦在1905年至1917年間提出的，這一概念的形成帶動了實驗和理論物理學在多個領域的巨大進展。其中光子本身具有內秉屬性，例如質量、電荷、自旋等。

科學家一直希望用光子代替電子實現更快捷安全的光通訊，現在，科學家們成功證明，他們能更快速地（在幾納秒內）控制與目前光通訊網絡中所用光波波長一樣的光子的路徑和偏振，新光子電路可整合進現有的光通訊網絡中，從而顯著改進網絡的性能。

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

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

OAM通信

1992年，科學家通過實驗證實光子具有軌道角動量（OAM）這一基本性質，同一頻率的電磁波，理論上可以有無窮多個不同OAM的取值。

OAM通信體制研究的核心是把光子軌道角動量（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量大幅度提高通信系統的頻譜效率和容量，以滿足未來10-20年間通信容量2-3個數量級的增長需求。

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

背景|技術難點

因此，有科學家稱，使用‘扭轉’光束來無線傳輸大容量數據（光子的OAM通信），其速度和性能都可以瞬間秒殺光纖傳輸，但是該技術的完全實現還存在問題。

雖然OAM技術已經開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），但是在在開放的空間內傳輸扭轉的光束對于科學家來說是一個極大的挑戰。因為即使空氣中的細微的湍流變化也會導致自旋信息的丟失。

測試|相位純度控制

在此次研究中，科學家們在城市環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量（OAM）的相位和幅度進行實時測試，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，信號傳輸起始點和終點之間的距離有1.6千米，其中穿過了空地、街道和高樓，以實現對城市環境、氣流和氣壓變化的高度模擬。

值得指出的是，不同于此前關于OAM通信系統的研究，此次該團隊的研究結合了實際應用場景，詳細探討了環境對“扭轉”光子的影響，以及該技術在實際鏈路傳輸過程中如何保持相位純度的問題。

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

對于這項研究，格拉斯哥大學Martin Lavery博士表示：“在全球數據需求以指數速度增長的時代，迫切需要發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的旅程中邁出了重要的一步，對此，Lavery博士表示：“這些新的進展讓我們重新思考環境對建模方法和自適應光學系統的要求。這樣，我們才能逐漸開發可以在真實城市環境中部署的OAM通信系統。”

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

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