近日，我院智光实验室侯金教授团队在轨道角动量光通信的研究上取得重要进展，相关研究成果已以题目为“Time-varying propagation model and dynamic-feedback-phase correction for multiplexed orbital angular momentum beams in atmospheric turbulence”的学术论文，被美国光学协会（Optica）旗下的光学TOP学术期刊《Optics Express》发表。该研究为轨道角动量光束传输的时空域特性探究和畸变补偿提供了新的理论模型和研究手段，有望促进更大容量、更高效率的自由空间光通信技术和系统的发展。
将轨道角动量光束用于自由空间光通信有巨大的应用前景。当轨道角动量光束在自由空间中传输时，不可避免地受到大气湍流的干扰，因此，研究轨道角动量光束的畸变特性对于提高通信质量和效率有重要意义。传统的静态传输模型只考虑了大气湍流的空间变化特性，而忽略了真实大气湍流也随时间变化的特性。目前，有少数实验室和户外实验研究了大气湍流对OAM光束传输的影响。在实验室研究中，有研究人员尝试采用旋转相位屏模拟大气湍流的方法，但存在相位屏重复的问题，与真实大气湍流的随机特性不符。在户外研究中，研究人员在真实户外开展实验来获得大气湍流对轨道角动量光束的时空特性，但实验不易进行，所需设备昂贵，并且只能研究特定的几个大气湍流场景，不利于进行系统地分析。
图1 轨道角动量复用光传输的时变湍流传输模型
针对上述问题，侯金团队提出基于泰勒冻结理论的动态随机变化方法，建立了轨道角动量复用光在时变大气湍流中的时变传输模型（如图1所示），并利用此模型对轨道角动量经过时变大气湍流后的畸变特性进行了初步系统的研究，最后还提出了一种动态反馈的周期校正方法来提高光通信效率。新模型研究发现，与先前静态大气湍流研究获取的数据相比，虽然在大部分时间内观测到的现象类似，但时变模型的数据中会观察到一些反常现象：高阶模态的归一化瞬时功率高于低阶模态；随着大气湍流强度和横向风速的增加，反常现象出现的概率也显著增加。此外，在弱时变大气湍流中，低OAM模态的功率标准差小于高OAM模态；而在强时变大气湍流中，低OAM模态的功率标准差大于高OAM模态的功率标准差。因此，在不同时变大气湍流条件下，应慎重选择适用的复用OAM模式。
最后，研究考虑了时变大气湍流对复用OAM通信链路的影响，并采用动态反馈校正机制来校正这种影响。通过分析一次轨道角动量相位补偿的有效时间，提出一种动态反馈的周期校正方法，在优化的动态为0.18秒且保证误码率在前向纠错极限的情况下，此方法的计算量仅为实时校正的6%。该研究强调了建立时变传输模型对于探究大气湍流对轨道角动量复用光的影响，提出动态反馈相位校正机制补偿，最终提升系统整体性能的重要意义。
智光实验室由杨春勇教授于2010年成立。目前实验室有教授2人，副教授2人，研究生28人，本科生14人。实验室自成立以来，积极推行“项目导向+创新实践+选择性自主学习”的管理模式，培养出一批又一批高质量人才。侯金教授作为这次研究课题组的负责人，在指导工作的同时也非常注重培养学生的自主、创新能力。该论文中，中南民族大学为第一作者单位，侯金教授为第一作者和通信作者，硕士生张思琪、夏智鹏同学分别为第二作者和第三作者。张思琪和夏智鹏同学自2021和2020年分别进入智光实验室以来，在侯金教授的指导下，一直从事轨道角动量光通信方面的研究。
