模分復(fù)用是現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中一種新興的復(fù)用技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)多模光纖可以支持高達(dá)數(shù)百個(gè)空間模式的傳播，因此模分復(fù)用技術(shù)理論上可以讓通信速率提升數(shù)百倍。然而，多模光纖中的模間串?dāng)_會(huì)大幅降低模式保真度，進(jìn)而增加誤碼率，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。因此，如何降低多模光纖中的模間串?dāng)_是亟待解決的問題之一。

光學(xué)相位共軛（optical phase conjugation）是一種常見的克服非均勻介質(zhì)散射以及像差的技術(shù)。該技術(shù)也被稱作光學(xué)時(shí)間反轉(zhuǎn)（optical time reversal），已被廣泛應(yīng)用于顯微成像領(lǐng)域。近些年，該方法也開始被用于在多模光纖中。其基本原理如下圖1所示。當(dāng)螺旋相位光從左端經(jīng)過非均勻介質(zhì)傳播到右端之后，其振幅和相位都會(huì)產(chǎn)生畸變。然而，若在右端能生成畸變光的相位共軛，然后將其沿原路反向傳播到左端的話，就可以在左端得到高質(zhì)量的螺旋相位光。

圖1. 傳統(tǒng)光學(xué)相位共軛技術(shù)。（a）螺旋相位光從左往右正向傳播后，振幅與相位產(chǎn)生畸變。（b）生成畸變光的相位共軛，然后將其沿原路反向傳播后，在左端可以生成高質(zhì)量螺旋相位光。

值得注意的是，介紹相位共軛技術(shù)的文獻(xiàn)往往采用了標(biāo)量場近似。然而，普通光纖并不具備保持偏振的特性，因此即使輸入光是線偏振光，多模光纖的輸出仍會(huì)變成矢量光，會(huì)具有復(fù)雜的空間模式和偏振態(tài)。在這種情況下，標(biāo)量場近似不再成立。另外，在目前所被報(bào)道的光學(xué)相位共軛實(shí)驗(yàn)中，研究人員均只在很短（長度約1米）的光纖中進(jìn)行測試，這是因?yàn)楣鈭龅钠裨诙坦饫w中尚可以得到較好的保持?？梢灶A(yù)見的是，采用標(biāo)量場近似的相位共軛技術(shù)不能在長光纖中得到高質(zhì)量結(jié)果。針對(duì)這一問題，University of Rochester的研究團(tuán)隊(duì)提出并展示了光學(xué)矢量相位共軛技術(shù)。

圖2. 光學(xué)矢量相位共軛示意圖。水平偏振空間模式從Bob端往Alice端傳播后，其偏振、振幅、相位均產(chǎn)生畸變。若對(duì)水平和豎直偏振分量同時(shí)生成相位共軛，并將其沿原路反向傳播后，在Bob端可以生成高質(zhì)量水平偏振螺旋相位光。

矢量相位共軛需要同時(shí)對(duì)水平偏振和豎直偏振的光場分別產(chǎn)生相位共軛，如圖2所示。當(dāng)水平偏振的螺旋相位光在1公里多模光纖中從Bob往Alice端傳播后，其偏振、振幅、相位均會(huì)變化。在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)先利用偏振平行分束器將水平偏振和豎直偏振的光場分開，然后光場的振幅和相位進(jìn)行測量，然后再用空間光調(diào)制器（spatial light modulator， SLM）分別對(duì)水平偏振和豎直偏振產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的相位共軛光束。產(chǎn)生的相位共軛光束會(huì)從Alice往Bob端反向傳播。當(dāng)反向傳播經(jīng)過偏振平行分束器之后，水平偏振和豎直偏振的兩個(gè)標(biāo)量光場會(huì)合成為矢量相位共軛光場。該矢量相位共軛光場反向傳播經(jīng)過1公里的多模光纖后，在Bob端會(huì)生成高質(zhì)量的水平偏振螺旋相位光。

圖3. 左側(cè)為不采用任何預(yù)補(bǔ)償措施時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，右側(cè)是采用矢量相位共軛技術(shù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）傳輸模式是LG（3，2）。（b）傳輸模式是HG（4，4）。

從圖3中展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，矢量相位共軛技術(shù)可以在1公里的多模光纖中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量空間模式的傳輸。漸變折射率多模光纖的本征模式可以用Laguerre-Gauss （LG）以及Hermite-Gauss （HG）模式表示。研究團(tuán)隊(duì)分別對(duì)210個(gè)LG和HG模式進(jìn)行了測量。若不采取任何補(bǔ)償措施，直接將空間模式通過光纖傳輸，測量得到的模式保真度大約只有1%。這里的模式保真度越低，則模間串?dāng)_越大，通信誤碼率越高。相比之下，利用矢量相位共軛技術(shù)則可以將模式保真度提高到大約85%。在該實(shí)驗(yàn)中，矢量相位共軛技術(shù)所能達(dá)到的模式保真度主要受限于空間光調(diào)制器本身的不完美。若能進(jìn)一步提升空間光調(diào)制器的性能，則可以進(jìn)一步提高模式保真度。

圖4.利用矢量相位共軛實(shí)現(xiàn)模分復(fù)用通信的方案。WFS：波前探測器。PBS：偏振分束器。BS：光分束器。SLM：空間光調(diào)制器。

圖4展示了利用矢量相位共軛技術(shù)實(shí)現(xiàn)N路模分復(fù)用的一種可能的方案。在接收端，Bob循環(huán)發(fā)送需要進(jìn)行復(fù)用的N個(gè)空間模式。此時(shí)這些空間模式并沒有被高速信號(hào)調(diào)制器加載信號(hào)，因此本身并不用來傳遞數(shù)據(jù)。這些模式依次傳播到發(fā)射端后，被Alice用波前探測器進(jìn)行測量。被測量到的波前信號(hào)被用于生成空間光調(diào)制器上加載的相位全息圖（hologram）。在發(fā)射端，Alice用N個(gè)高速信號(hào)發(fā)射機(jī)生成N路光信號(hào)。這些光信號(hào)經(jīng)過空間光調(diào)制器之后，每路光束的振幅和相位被調(diào)制成為相對(duì)應(yīng)的空間模式的矢量相位共軛。這里的空間光調(diào)制器被用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用器以及相位共軛生成器的功能。當(dāng)N路矢量相位共軛光束傳播到接收端后，每一路光場的空間模式會(huì)具有很低的模間串?dāng)_。Bob用一個(gè)空間模式解復(fù)用器和N路探測器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)N路模分復(fù)用的功能。

綜上所述，本文展示的方法首次在長光纖中驗(yàn)證了傳輸高質(zhì)量空間模式的可行性。實(shí)驗(yàn)中所用的光纖長度（1公里）比其它傳統(tǒng)方法所用的光纖長度（約1米）高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，而且光纖長度可以進(jìn)一步提高。該方案可以大幅降低模間串?dāng)_，首次解決了長距離多模光纖模分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中的棘手難題之一。本文所展示的方法有望將量子通信和經(jīng)典通信系統(tǒng)的通信速率進(jìn)一步提升一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

該研究工作于近期發(fā)表在Nature Communications期刊，題為“High-fidelity spatial mode transmission through a 1-km-long multimode fiber via vectorial time reversal”。論文第一作者兼通信作者為University of Rochester的周宜雨博士生，參與本項(xiàng)工作的還包括University of Rochester的Robert W. Boyd教授、趙佳鵬博士生，University of Ottawa的Boris Braverman博士，University of Southern California的Alan E. Willner教授，張潤洲博士生，以及University of South Florida的石志敏教授，Alexander Fyffe博士生。
編輯：lyn