轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）光束已被广泛应用到光镊、原子捕获、超分辨成像、光子纠缠等多个领域。由于具有不同量子数的OAM光束是空间正交的，因此OAM光束可以作为载波进行多路复用，从而提高系统的通信容量和频谱效率。目前，OAM通信研究已在国际上引起广泛关注。
武汉光电国家实验室（筹）王健教授领衔的多维光子学实验室（MDPL：Multi-Dimensional Photonics Laboratory）一直致力于自由空间OAM光通信研究，在这个领域取得了系列进展。
OAM通信技术需要对光波的强度、相位、偏振等多个物理维度进行调控。王健教授课题组针对现有技术不足，探索研究了多种新型空间光调制技术。在王教授指导下，博士生朱龙利用两个纯相位空间光调制器偏振相关的特性实现对入射光的振幅与相位独立任意调控。这一方法可以产生任意振幅相位分布光束以适应各种特殊应用。相关研究成果以论文“ Arbitrary manipulation of spatial amplitude and phase using phase-only spatial light modulators”发表在Scientific Reports (Vol. 4, PP. 7441, 2014)上。此外，博士生刘俊利用偏振相关的空间光调制器（SLM）辅助波片等光学元件设计了一个新型装置，成功实现了偏振无关的空间光调制，克服了普通SLM只能工作在单偏振态的限制。该工作以论文“ Demonstration of polarization-insensitive spatial light modulation using a single polarization-sensitive spatial light modulator”于2015年7月6日 发表在Scientific Reports (Vol. 5, PP. 9959, 2015)上。

图1 (a) 振幅与相位独立任意调控实验结果 (b) 偏振相关空间光调制器实现偏振无关工作原理

在OAM通信系统中，基于OAM的信息处理单元（如OAM交换、上传下载和广播等）也十分重要。王健教授课题组深入研究了OAM广播技术。在王健教授指导下，博士生朱龙等人提出了一种新型计算全息算法，该算法生成的单个相位全息图可将入射高斯光束变换成多个共轴传输的OAM光束。该算法以论文“ Simultaneous generation of multiple orbital angular momentum (OAM) modes using a single phase-only element” 发表在Optics Express (Vol. 23, PP. 26221-26233, 2015)上。同时，博士生李树辉等人在该算法的基础上，将自适应反馈技术引入实验系统中，成功演示了广播通道功率可控的新型OAM广播技术，此技术解决了实际系统中广播通道功率不均衡的问题。2015年5月19日该研究工作论文“ Adaptive power-controllable orbital angular momentum (OAM) multicasting” 发表在Scientific Reports (Vol. 5, PP. 9677, 2015)上。

图2 (a)计算产生的用于产生多个OAM的相位全息图 (b) 自适应功率可控OAM广播工作原理

王健教授课题组还提出了新型OAM复用/解复用技术。在王健教授的指导下，博士生李树辉提出了单个相位全息图同时解调多个OAM并任意操控解调光空间位置的新型OAM解复用技术。该技术降低了OAM解复用系统的复杂度，提高了系统的灵活应，并可用于OAM复用系统。相关成果以论文“ Simultaneous demutiplexing and steering of multiple orbital angular momentum modes” 发表在Scientific Reports (Vol. 5, PP. 15406, 2015)上。此外，目前OAM复用系统多以研究数字信号为主，为了填补OAM通信系统模拟信号研究的空白，在王健教授指导下，博士生李树辉测试分析了模拟射频信号在自由空间OAM复用系统中的传输性能，并以论文“ Performance evaluation of analog signal transmission in an orbital angular momentum multiplexing system” 发表在Optics Letters (Vol. 40, PP. 760-763, 2015)上。

图3 (a) 解调光斑位置任意可控的多OAM解调技术 (b)OAM复用系统模拟信号传输曲线

以上工作得到了国家973计划课题（2014CB340004）、国家自然科学基金(11274131, 11574001, 61222502)、新世纪优秀人才计划(NCET-11-0182)和武汉科技计划项目(2014070404010201)等项目资助。

文章链接：
[1] Long Zhu and Jian Wang*, “ Arbitrary manipulation of spatial amplitude and phase using phase-only spatial light modulators,” Scientific Reports 4, 7441 (2014).
http://www.nature.com/articles/srep07441
[2] Jun Liu and Jian Wang*, “ Demonstration of polarization-insensitive spatial light modulation using a single polarization-sensitive spatial light modulator,” Scientific Reports 5, 9959 (2015).
http://www.nature.com/articles/srep09959
[3] Long Zhu and Jian Wang*, “ Simultaneous generation of multiple orbital angular momentum (OAM) modes using a single phase-only element,” Optics Express 23(20), 26221-26233 (2015).
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-23-20-26221
[4] Shuhui Li and Jian Wang*, “ Adaptive power-controllable orbital angular momentum (OAM) multicasting,” Scientific Reports 5, 9677 (2015).
http://www.nature.com/articles/srep09677
[5] Shuhui Li and Jian Wang*, “ Simultaneous demutiplexing and steering of multiple orbital angular momentum modes,” Scientific Reports 5, 15406 (2015).
http://www.nature.com/articles/srep15406
[6] Shuhui Li and Jian Wang*, “ Performance evaluation of analog signal transmission in an orbital angular momentum multiplexing system,” Optics Letters 40(5), 760-763 (2015).
https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-40-5-760