作者：波士顿大学（马萨诸塞州波士顿）工程学教授、研究员 Siddharth Ramachandran
支撑当前数据革命的光纤网络已取得巨大进步。从 20 世纪 80 年代末到 21 世纪初的几十年间，单根光纤链路的传输容量几乎每四年增长近 10 倍。这种令人瞩目的容量增长得益于对光子几乎所有属性的利用 —— 包括在光的光谱（颜色）、偏振、相位以及振幅中编码信息的技术（图 1a）。
在几乎耗尽这些自由度后，单根光纤的信息承载能力增长在过去十年显著放缓，尽管带宽需求预计将继续呈指数级增长。为应对即将到来的 “容量危机”，研究界一直在积极探索新技术路径，共识是利用光子相对未被充分开发的 “空间” 自由度。
利用光的 “空间” 自由度可以有多种形式。最基本的体现是使用 “带状” 光纤束实现空间分集，但这种方法面临两个关键挑战：（1）部署所需的空间随容量需求增加而增大，这在海底电缆等部署场景中变得困难；（2）成本将随容量（几乎）线性增长，抵消了光纤网络过去几十年的一大优势 —— 即使容量需求增长，并行化也能降低每比特成本。
Figure 1. （a）光子可编码信息的自由度。空间自由度是探索最少的维度。(b) 多芯光纤，由玻璃纤维矩阵中的多个波导芯组成。(c) 多模光纤具有更大的纤芯尺寸和更高的折射率对比（上图），可支持多种空间模式，但模式之间的模式混合会导致信号失真（下图）。(d) 环芯光纤（上图）设计用于传输携带轨道角动量的特定模式组合，是一类能以最小串扰传输空间模式的光纤。
另一种方法是在单根光纤的玻璃包层中嵌入多个光纤纤芯（纤芯是中央高折射率区域，光在其中以创纪录的低损耗传输）。这种多芯光纤（MCF，图 1b）提供了一定的空间封装优势，并且根据其信号在周期性中继器中放大的方式，还可能实现降低每比特成本的并行化。最近，谷歌宣布在其海底电缆中部署双芯 MCF。但最终，这种方法也面临规模限制，主要是因为在单个玻璃包层矩阵中嵌入过多纤芯必然需要增加光纤束的尺寸，而过大的玻璃横截面会降低其可靠性。
Figure 2携带轨道角动量的扭转光束不符合光纤中引导光的传统全内反射约束条件，表现出一种奇特的特性，即随着扭转率的增加，它们倾向于 "粘附 "在光纤的纤芯-包层界面附近，从而有效地以低损耗进行传输。这种模式的稀疏性确保了它们即使在具有多个此类模式的光纤中也能保持稳健和抗串扰，从而实现了模式（以及信道）数量的可扩展性。
第三种方法使用多模光纤（MMF，图 1c 上）。单根 MMF 纤芯中的空间模式可以作为独立的数据载体，相比 MCF，这是一种在空间上更高效的容量扩展方式。但一个显著的缺陷是光纤的空间模式容易相互混合。因此，即使在光纤输入端将不同数据流编码到不同模式中，所有数据流的光在光纤传输过程中也会混合，形成所谓的 “散斑图案”（图 1c 下）。为了抵消这种失真，人们尝试使用多输入多输出（MIMO）数字信号处理（DSP）技术事后 “解缠” 模式失真。尽管自 21 世纪初以来就有相关研究，但 MMF 与 MIMO-DSP 的结合尚未获得商业认可，可能是因为所需 DSP 芯片的复杂度、成本和能耗随使用的通道 / 模式数量呈二次增长。
理想的解决方案是让 MMF 具备 MCF 的特性 —— 即光纤中的空间模式互不干扰，最小化串扰。十多年前，一项实验演示在一种特殊设计的光纤（图 1d 上）中利用所谓的轨道角动量（OAM）模式，该光纤具有环形高折射率纤芯而非中心纤芯，实现了在 1 公里距离上以超过 Tb/s 的速率传输多达四个独立数据通道，且失真极小。
自 1992 年阐明以来，携带 OAM 的光（图 1d 下）一直是一个引人入胜的研究领域，其特性包括旋转微观粒子的能力、实现超分辨率成像的能力（2014 年诺贝尔奖的基础）以及实现高维量子纠缠的方法。在光纤中传输 OAM 模式的演示引发了广泛兴趣，既包括研究此类模式在光纤中的基本特性，也包括其在扩展光纤信息容量方面的潜在应用。
尽管对 OAM 光纤模式有浓厚兴趣和大量探索，但在公里级长度上，稳定、未混合的模式数量仍限制在约 12 个。如果放宽设计标准以允许一定程度的模式串扰（从而允许有限的 MIMO-DSP 处理），已实现 8 个模式在 100 公里距离上的传输演示。模式数量未能进一步突破的原因与纤芯折射率分布对模式传输特性的基本限制有关。全内反射（TIR）是光在光纤中以低损耗传输的主要机制，它将模式的有效折射率（n_eff，衡量模式在光纤中实际 “感受” 到的折射率）限制在纤芯最高折射率和包层最低折射率之间。因此，具有多个模式的光纤只能将模式的 n_eff 间隔设置得越来越近。任意两个模式之间的串扰随 n_eff 间隔的缩小呈指数增长。
因此，增加模式数量必然会增加串扰。在传统 MMF 中，这种串扰极具破坏性，会完全扭曲信号；而环形纤芯光纤中 OAM 模式的有限成功源于角动量守恒定律赋予的固有稳定性，类似于自行车轮或陀螺高速旋转时不会倾倒。即便如此，传统光纤模式（包括上述 OAM 模式）的基本限制仍然存在 —— 在光纤横截面内封装过多模式会导致串扰。
这一传统认知最近在 2023 年的一篇《科学》文章中被颠覆。通过迫使光在迄今为止被认为禁止的传输区域（不满足 TIR 条件）中传输，研究发现只要光携带极高的 OAM，模式损耗就可以忽略不计。光学教科书指出，在该区域传输光的损耗过高，不具备实用性。但 2023 年文章描述的实验表明，如果光的 OAM 极高（即传输时扭曲速率极快），光束会为自身创造一个离心势垒，防止泄漏。
这种拓扑限制效应如图 2 所示：低 OAM 模式扩散并损耗，而高 OAM 模式则紧贴纤芯包层界面，以低损耗传输。这种离心势垒效应在其他物理领域已为人熟知 —— 轨道双星不会因引力而相互坍缩，正是因为它们的旋转特性产生了相同的离心势垒。
这一发现之所以对扩展光纤信息容量令人兴奋，是因为这些所谓的拓扑受限模式（TCM）在光纤中的分布相当稀疏。其相邻模式的 n_eff 通常不具备拓扑限制（因此在传输过程中损耗，大多数不满足 TIR 的传统模式也是如此）。因此，即使增加模式封装密度，TCM 仍保持惊人的稳定性 —— 实测串扰低至 - 40 dB/km。截至本文撰写时，TCM 平台已实现高达 100 个模式的计数（图 3）。图 3 展示了过去十年低串扰模式计数的发展历程 —— 显然，TCM 的出现导致可实现的模式计数急剧大幅增加，预示着未来可能实现更高的模式计数。
Figure 3.多模光纤中非混合模式数的发展。本文展示的光纤包括几种为提高光纤信息传输能力而探索的设计，模式数从过去十年的 10-20 个明显跃升到最近的 50-100 个，这说明拓扑约束作为光导原理的强大威力，有望在未来实现显著的可扩展性。
TCM 正迅速应用于掺铒光纤放大器的开发，这是光纤网络最关键的组件之一 —— 开发一个能提供 100 个传统放大器功能的放大器，其在成本、空间和能耗方面的潜在优势引人入胜。TCM 的大通道计数也有利于开发抗噪声的高维量子计算方案。尽管这种新的光纤光传输机制带来了这些令人兴奋的应用，但仍有几个实际问题需要解决。
目前，这类光纤的损耗高于构成光纤互联网基石的传统单模光纤。通过制造优化能将损耗降低到何种程度仍有待观察。将高 OAM 的 TCM 引入专门设计的光纤仍是一个挑战，需要专用的全息光束整形元件。设计此类元件的原理已为人知，但以成本和规模制造它们的技术仍需确定。总之，一旦解决了实用性和制造可行性问题，光纤中的拓扑受限模式将为未来互联网提供创纪录的信息容量扩展前景。
https://www.techbriefs.com/component/content/article/53010-twisted-light-in-optical-fibers-may-lead-to-substantial-capacity-enhancements
2024年6月25-27日
国家会议中心
由中国光学工程学会（CSOE）、国际光学工程学会（SPIE）等单位共同主办的“2025年第六届世界光子大会”将于2025年6月25-27日在北京举办。“2025年第六届世界光子大会”是中国光学工程学会年会，包括“第14届国际应用光学与光子学技术交流大会（AOPC 2025）”和“第十六届中国光电子产业博览会”等活动，预计会议规模近1500人。大会共设有19个专题分会，包括激光技术及应用、红外技术及应用、光电探测与成像技术及应用、光谱技术及应用、太赫兹技术及应用等。组委会力邀300余位国内外著名科学家、学术领军专家出席并做精彩报告。大会开幕式将举办中国光学工程学会颁奖盛典！
会议同期举办“第十六届中国光电子产业博览会”，参展商1000余家，博览会包括红外微光技术与应用、激光与智能制造、光通信&光传感及物联网、光学&精密光学制造、测控技术与仪器、创新科技及实验成果、微纳制造、北京半导体展览会等八大主题。同时聚焦当下最热门的光电应用领域，联动参展企业的核心价值，串联有效应用场景，从产业到终端，促进产业链供应链畅通，不断融合升级，积极推动整个行业创新技术高质量供给，为光电企业高质量发展搭台筑基。
