涡旋光与传统光通信相比，涡旋结构携带轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）具有新的自由度，使得OAM复用技术在提高系统的通信容量和频谱利用率方面具有独特的优势，通过对OAM光束复用特性的研究，可以更加直观地了解OAM复用光束。
涡旋光轨道角动量复用通信系统
摘要：涡旋光与传统光通信相比，涡旋结构携带轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）具有新的自由度，使得OAM复用技术在提高系统的通信容量和频谱利用率方面具有独特的优势，通过对OAM光束复用特性的研究，可以更加直观地了解OAM复用光束。
一、OAM复用通信的背景与意义
无线光通信，即自由空间光（free-space optical, FSO）通信是一种以激光为载体，可进行数据、语音以及图像等信息传递的技术。由于大气对光信号的吸收和散射，而对空间中传输的光束产生衰减，大气湍流效应引起激光光斑漂移、闪烁以及扩展，造成较大的误码率甚至通信中断。传统的通信方式并不能满足复用通信的需求。人们需要一种新技术以提高信道容量和频谱利用率。在现有的复用技术中，频率、时间、码型、空间等资源的利用都已被发挥到了极致，受波在自由空间和光纤中的信息调制格式的限制，信息在自由空间和多模光纤网络空间不能互相操作，因此难以完全满足网络容量和通信安全。为了增加信息传输容量，提高频谱效率，并建立一个可靠性高、安全性好的通信网络，OAM复用技术被广泛关注。
图1.涡旋光以及能量分布图
二、基于OAM的复用通信具有一下优点
（1）安全性：归因于OAM的拓扑荷数和方位角之间的不确定关系。只有完全接收OAM光束，才能准确检测其OAM态，角度倾斜和部分接受都会导致发送模态的功率扩散到其它模态上，降低对发送OAM态的正确检测概率，因此基于OAM的复用通信可有效地防止窃听。
（2）正交性：不同OAM模式的涡旋光束具有固有的正交性，为在不同涡旋光束上调制信息提供可能，且不同OAM信道上传输的信息互补干扰，提高了信息传输的可靠性。
图2.OAM复用通信系统模型
（3）多维性：携带OAM涡旋光束本征态数目的无穷性可以实现多路信息在同一空间路径上传输，从而提高复用通信的维度。
（4）频谱利用率高：涡旋光束复用通信由于采用OAM进行复用信息的传输，频谱利用率远远高于长期演进（long term evolution）、802.11 n 和地面数字视频广播（digital video broadcasting-terrestrial, DVB-T）。
（5）传输速率高：OAM复用通信的传输效率高于LTE、802.11 n 和DVB-T，实验研究表明可以达到太比特数量级。
结语：随着对OAM研究的不断深入，携带OAM的涡旋光束复用技术作为新的复用维度，在信息传输领域引起了人们的广泛关注。为了提高信息传输速率，满足信息传输的安全性，携带OAM的涡旋光束复用技术就是解决途径之一。这种复用技术采用OAM量子数（或模式数）取值的无穷性进行信息的多信道传输，采用不同OAM模式间的正交性实现信息调制，最后将信息加载到携带OAM的两种或两种以上的涡旋光束实现信息的复用传输。
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