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2020年7月1日，中山大学电子与信息工程学院刘洁副教授、余思远教授团队联合长飞光纤光缆股份有限公司(以下简称“长飞公司”，股票代码：601869.SH、06869.HK)首次报道了100千米距离轨道角动量(OAM)单跨无中继光纤通信系统实验，相关的研究成果发表在Photonics Research(中国科学院主管的中国光学期刊)2020年第7期，并被OSA(美国光学学会)选为Spotlight on Optics(光学方面的前沿聚焦点)。
随着互联网、云计算、物联网等的发展，使得当前信息化社会对网络带宽的需求达到了前所未有的高度。由于单模光纤自身的非线性效应限制，可能在未来不远的时间达到可以预见的“带宽耗尽”，因此空分复用应运而生。
空分复用是指通过一根光纤建立多个可以分区的空间数据信道的复用技术，可以成倍地提高系统容量和频谱效率，是构建未来光网络的关键技术之一。目前可支持空分复用的光纤主要有：少模光纤、多芯光纤和光子晶体光纤。其中，多芯光纤拉制较为复杂且接续困难;光子晶体光纤有着极低的色散和理论衰耗，但其实际衰耗仍然较高;少模光纤由于其低损耗、拉制简单、熔接效率高和适应各种复杂外界环境的特征而成为空分复用应用领域的热点。基于少模光纤的空分复用技术在提升单纤通信系统传输容量方面展示了巨大潜力，数十倍的容量提升已经成为可能，为解决未来光通信系统容量瓶颈问题提供了有效途径。
光子轨道角动量(以下简称“OAM”)光纤是少模光纤中的一种，基于OAM模式实现单光纤模分复用多信道传输是近年提出的大幅度扩充光纤通信信息容量的新方法，在科技部“国家重点研发计划”项目“可扩展超大容量新型空分模分复用光纤通信技术研究”(项目号：2018YBF1801800)的支持下，长飞公司沈磊博士及其团队基于公司独具优势的PCVD工艺，研发并制备了低衰减的长距离环形芯OAM光纤，OAM光纤的基模衰减最低可达0.198dB/km，是OAM光纤领域的世界纪录。
项目团队同时利用新型超低模间串扰OAM环芯光纤特殊的模式分群特性，提出了在接收端仅需要小规模(4x4)的模块化多入多出(MIMO)均衡算法即可实现多信道传输的OAM模分复用系统新架构。该架构单位传输容量的均衡算法复杂度不随通信容量增加，因而具有优良的可扩展性和实用性。
图1：基于新型低损耗、超低串扰OAM环芯光纤的高可扩展模分复用通信系统示意图。插图：(a) 100km单跨段光纤实物图;(b) 光纤截面照片。注：图中+/- n代表OAM模式的阶数;X,Y分别代表每个OAM模式的两个正交偏振态;|n|代表包含+/- n OAM模式的模式组阶数。
图片来源：中国激光微信公众号
团队基于上述新系统架构和新型OAM环芯光纤开展大容量长距离光信息传输实验，首次成功实现了单跨无中继100 km OAM光纤通信链路。在该链路上仅使用两个4x4 MIMO均衡模块实现了8个OAM模式信道的模分复用，每个模式信道同时传输了10路与现有光纤通信技术完全兼容的波分复用/偏振复用/正交相位调制(QPSK)光信号，从而实现了单光纤80路光信号的并行传输，达到了2.56 Tbit/s的总传输容量、10.24 bit/(s·Hz) 的频谱效率和高达256 (Tbit/s)·km的容量-距离乘积，为目前OAM光纤通信的最高纪录。
随着低损耗、超低串扰轨道角动量光纤的提出，基于超低模组间串扰和模块化4*4MIMO的轨道角动量模式复用技术已在提升单纤容量方面展示出巨大潜力，是下一代新型光通信系统的优选方案。